高温后圆与方钢管高强混凝土轴压短柱力学性能对比的学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于《广西大学学报（自然科学版）》，作者陈宗平、陈建佳、张亚旗来自广西大学土木建筑工程学院及广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室，受国家自然科学基金、广西自然科学基金重点项目等多项资助。研究通过30个试件的高温后轴压性能试验，对比分析了圆形和方形两种截面形式钢管高强混凝土短柱在高温后的力学性能差异，考察了历经温度和混凝土强度等级两个参数的影响。

钢管混凝土结构在火灾工况下的性能表现是结构抗火设计的重要研究内容。钢管对核心混凝土的约束作用在高温下会发生变化，钢管的力学性能随温度升高而退化，而混凝土在高温下也会发生脱水、开裂等劣化现象。不同截面形式的钢管混凝土构件，其高温后性能差异直接关系到结构抗火设计的合理性。

试验设计与参数体系

研究制备了30个试件，考虑了圆和方两种截面形式、不同经历温度（通常包括20°C、200°C、400°C、600°C、800°C等）和混凝土强度等级（高强混凝土，通常为C60、C80、C100等）三个变化参数。试件数量30个，在每个参数组合下约有2-3个试件，属于较为合理的试验规模。

从工程实践角度，方形钢管混凝土构件在实际工程中应用广泛，特别是在框架柱、支撑柱等构件中，方形截面便于与其他构件连接。而圆形钢管混凝土构件在桥梁、塔架等结构中更为常见。两种截面形式的高温后性能对比，对结构抗火设计具有直接的指导意义。

高温后性能对比分析

质量烧失率对比

研究对比了圆钢管和方钢管试件的质量烧失率。质量烧失率是反映混凝土高温劣化程度的重要指标，主要反映混凝土中水分蒸发、骨料分解等质量损失。圆形钢管混凝土构件的截面惯性矩分布较为均匀，高温下温度梯度相对较小；而方形钢管混凝土构件的棱角部位温度梯度较大，可能导致棱角区域混凝土劣化更为严重。

荷载-轴向位移曲线

研究讨论了试件高温前后的荷载-轴向位移曲线。高温后，钢管高强混凝土构件的荷载-位移曲线通常表现为：初始弹性阶段缩短，峰值荷载降低，峰值位移减小，峰值后下降段变陡。这些变化反映了高温导致的材料性能退化和约束效应减弱。

关键性能指标对比

研究对比分析了峰值荷载、峰值位移、轴压刚度、延性系数及耗能能力等性能指标。结果表明，随着历经温度和混凝土强度等级的增加，两种钢管高强混凝土试件的峰值荷载、峰值位移、刚度、位移延性和能量耗散变化规律大体一致，但圆钢管高强混凝土试件受温度及混凝土强度等级变化的影响程度较方钢管高强混凝土试件大。

圆钢管试件受影响更大的原因可能在于：圆形截面的约束效应主要依赖钢管的环向约束，高温下钢管强度退化直接削弱了约束能力；而方形截面的棱角区域虽然温度较高，但方钢管的平面内约束和角部约束在一定程度上提供了额外的稳定性。

工程实践启示

抗火设计建议

基于研究结论，在钢管混凝土结构的抗火设计中，应考虑截面形式对高温后性能的影响。对于圆形钢管混凝土构件，高温后性能退化更为显著，在抗火设计中应适当提高安全储备，或采取防火保护措施（如防火涂料、防火板）降低构件表面温度。对于方形钢管混凝土构件，虽然高温后性能相对较好，但棱角区域的局部劣化仍需关注，建议对棱角区域采取局部防火保护。

钢管焊接质量与高温性能的关系

钢管混凝土构件的钢管焊接质量对高温后性能有重要影响。焊缝区域在高温下是薄弱环节，焊缝的热影响区（HAZ）在高温下可能发生进一步的脆化。对于高温后性能要求较高的构件，建议采用低氢型焊材（如E7018），严格控制焊接热输入，避免过大的热影响区。焊缝应进行100%无损检测，确保无裂纹、未熔合等致命缺陷。

高强混凝土的高温性能

高强混凝土在高温下的劣化机制与普通混凝土有所不同。高强混凝土的孔隙率较低，高温下内部水蒸气压升高更快，可能导致更严重的爆裂现象。同时，高强混凝土的骨料与基体界面在高温下更容易发生剥离。因此，在高强钢管混凝土构件的抗火设计中，应充分考虑混凝土的高温劣化机制，合理选择混凝土配合比，必要时掺加抗高温纤维或膨胀剂。

该研究通过系统的试验对比，揭示了不同截面形式钢管高强混凝土构件在高温后的性能差异，为钢管混凝土结构的抗火设计提供了重要的试验依据。