第25卷增刊II V ol.25 Sup.II 工 程 力 学 2008年 12 月 Dec. 2008
ENGINEERING MECHANICS
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收稿日期：2008-04-10
基金项目：国家自然科学基金项目(50738005)；国家科技支撑计划项目(2006BAJ06B06-2)
作者简介：宋天诣(1981―)，男，山西人，博士生，主要从事结构防火方面的研究(E-mail: sty06@https://www.doczj.com/doc/7a3806085.html,)；
*韩林海(1967―)，男，内蒙古人，教授，博士，所长，主要从事钢与组合结构及混合结构等方面的研究(E-mail: lhhan@https://www.doczj.com/doc/7a3806085.html,).
文章编号：1000-4750(2008)Sup.II-0230-24
组合结构耐火性能研究的部分新进展
宋天诣，*韩林海
(清华大学土木工程系，北京 100084)
摘 要：组合结构的耐火性能和抗火设计原理研究是工程界所关注的热点问题。该文简要介绍了国内外研究者们在组合板、组合梁、组合柱等结构构件以及结构节点、框架和结构体系耐火性能方面取得的部分研究结果，归纳了组合结构在火灾下(后)的工作机理和抗火设计方法及耐火性能研究方面的部分新进展。该文最后对组合结构抗火研究领域需进一步开展的工作进行了探讨和展望。
关键词：组合结构；耐火性能；耐火极限；抗火设计；全过程火灾 中图分类号：TU352.5; TU398+.9 文献标识码：A
SOME NEW DEVELOPMENTS OF THE FIRE PERFORMANCE
RESEARCH ON COMPOSITE STRUCTURES
SONG Tian-yi , *HAN Lin-hai
(Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: The research on fire-endurance performance and fire-resistance design of composite structures is one of the hot topics in structural engineering. This paper briefly summarizes and reviews some of the recent progress on the fire performance of composite slabs, composite beams, composite columns, beam-column connections, frames and structural system. Finally, A number of issues need to be addressed on the fire performance of composite structures are identified and discussed.
Key words: composite structures; fire-endurance performance; fire resistance; fire-resistance design; full-range fire
近年来，由于建筑物高层化、大规模化及用途的复合化，火灾发生的因素随之增加，火灾规模也日趋扩大。如2001年的“9·11”事件中，纽约世贸中心WTC 两座110层411m 高的大楼因飞机撞击后发生的猛烈火灾而倒塌，造成两千多人死亡以及重大的直接经济损失；2004年10月17日，委内瑞拉首都加拉加斯的56层221m 高的中央公园双子塔发生大火，火灾持续 18 h ，造成数亿美元的直接经济损失；2003年11月3日，湖南省衡阳市衡州大厦发生特大火灾，由于火灾中大厦突然坍塌，造成20名消防官兵殉职；2003年11月24日，俄罗斯人民友谊大学发生火灾，造成40余名学生死亡；
2007年12月12日，温州市鹿城区人民路的温富大厦发生大火，造成多人死亡；2008年1月2日，新疆乌鲁木齐市的德汇国际广场批发市场发生火灾，3名消防官兵殉职、财产损失严重。
火灾严重威胁着人类的生命财产安全，同时也会产生不良的社会影响，并对环境造成污染。因此研究建筑结构的耐火性能和抗火设计原理，进而确定合理的防火构造措施非常重要。
众所周知，组合结构一般是指由两种或两种以上材料在构件层次上的组合，如常见的钢-混凝土组合板、组合梁，型钢混凝土，钢管混凝土和FRP(Fiber Reinforced Polymer)约束结构等，组合结构的特点在
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于如何优化地组合不同材料，通过组成材料之间的相互作用，充分发挥组成材料的优点，尽可能避免或减少其弱点所带来的不利效应，而且，通过不同材料的组合，使施工过程比钢筋混凝土结构(广义地说，也是一种组合结构)更为便捷[1]。组合结构的特点使其能够较好适应现代工程结构的施工和使用要求，在高层和超高层建筑中得到较广泛的应用，如北京世界金融中心入口大堂采用了钢管混凝土柱；天津今晚报大厦外框柱网采用了钢管混凝土柱；深圳赛格广场大厦框架柱及抗侧力体系内筒的密排柱均采用了圆钢管混凝土；杭州瑞丰国际商务大厦采用了框架-剪力墙结构体系，应用了方钢管混凝土柱、焊接工字钢梁、压型钢板组合楼板和钢筋混凝土剪力墙；上海金茂大厦外框采用了型钢混凝土；上海瑞金大厦1 层―9 层采用了型钢混凝土柱；北京京城大厦、环球金融中心等均采用了型钢混凝土结构；采用组合结构的高层和超高层建筑有很多，此处不再详述。图1所示为一正在施工中的采用钢管混凝土柱、钢-混凝土组合楼盖体系建筑的外景图。随着组合结构应用的增多，研究其在火灾下(后)的性能，为组合结构的抗火设计提供理论和试验依据是很有必要的[2]。
图1 正在施工中的某组合结构高层建筑[3] Fig.1 A general view of composite structure under
construction[3]
本文以论述国内外学者在组合结构耐火性能方面的研究成果为主，并结合建筑结构抗火性能研究方面的部分新成果，按照从结构构件向结构体系发展的研究思路进行论述，同时引入了全过程火灾(即考虑了升温、降温和火灾后各阶段)下结构工作机理研究的概念。本文论述的主要内容可归纳如下：1) 对组合构件抗火研究进行了总结，介绍了组合板、组合梁和组合柱等结构中主要构件的抗火研究现状和部分新进展；2) 对框架结构受力的关键部位—梁柱节点的耐火性能的研究现状进行了总结，探讨了目前节点研究的一些关键问题；3) 结合英国Cardington试验和美国“9.11事件”大楼倒塌原因的分析，对火灾下考虑结构整体性的结构研究现状及板的拉力膜效应和梁的悬链线效应等进行了论述；4) 对组合结构耐火性能方面需要进一步研究的工作进行了探讨和展望。
1 组合结构构件耐火性能的研究概况
构件作为结构体系的基本组成部件，了解其在火灾下的性能是了解结构体系在火灾下反应的重要基础。对组合结构耐火性能的研究应该由组合构件开始，逐步深化到节点、框架，最终达到对组合结构火灾下整体性能的把握。下面将分楼板、梁、柱三部分介绍目前对组合构件抗火设计研究的成果。
1.1 压型钢板-混凝土组合楼板
压型钢板-混凝土组合楼板具有承载力高、塑性和抗震性能好、经济效果显著和施工简便等优点，成为高层结构中不可缺少的组成部分[4]，因此研究其耐火性能，为抗火设计和防火构造提供依据非常重要。
李国强等(1999)[5]用有限差分法对开口型压型钢板-混凝土组合楼板火灾下的温度场分布进行了研究，给出了标准火灾下温度场分布的简化计算方法。蒋首超等(2004)[6―7]对 4 个采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的钢-混凝土组合楼盖试件在不同荷载水平下的抗火性能进行了试验研究，并用自行编制的钢-混凝土组合楼盖抗火性能分析程序对试件进行了分析，研究发现：压型钢板的厚度对楼盖体系的抗火性能影响不大；试验过程中存在压型钢板和混凝土之间分离的现象，在理论分析时应该考虑这种因素的影响。在以上研究的基础上，蒋首超等(2006)[8]对压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能进行了参数分析，主要考虑了火灾荷载比、压型钢板厚度和配筋率等参数的影响。
韩林海和毛小勇(2001)[9]采用数值算法计算了组合板的耐火极限，分析了荷载、组合板的材料强度、构件截面含钢率、截面尺寸及保护层厚度等参数对组合板耐火极限的影响规律。
杨秀萍和张怀章(2007)[10]对压型钢板-混凝土楼板火灾下的温度场进行了模拟，考虑了接触热阻对温度场分布的影响。在温度场分析的基础上，杨
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秀萍和张怀章(2007)[11]采用有限元方法对简支和连续压型钢板-混凝土组合楼板不同位置受火后的变形规律、破坏特征、内力重分布等进行了研究，并分析了连续板负弯矩区钢筋长度对耐火极限的影响。
Yu 等(2008)[12]采用正交板有限元方法对火灾下压型钢板-混凝土组合楼板进行了分析，采用9节点等参板单元来模拟压型钢板-混凝土组合楼板上部连续的部分，采用3节点梁单元来模拟下部的板肋，研究结果表明楼板形状对温度分布和结构性能有较大影响，并在分析基础上给出了组合板外形的选择建议。
压型钢板只有一面与混凝土粘结，不同于钢筋完全被混凝土包裹，因此压型钢板与混凝土之间的粘结机理和性能同钢筋与混凝土的粘结有很大的不同，研究高温下压型钢板与混凝土之间的粘结-滑移性能，可以为更好的模拟组合楼板力学性能提供依据。蒋首超等(2003)[13]进行了压型钢板与混凝土在常温下的粘结应力-滑移关系及高温下的粘结强度的试验研究，研究发现压型钢板与混凝土间的粘结强度随温度的升高而下降，并在试验基础上，给出了高温下压型钢板与混凝土间粘结强度的计算公式。
1.2 组合梁
1.2.1 钢-混凝土组合梁
钢-混凝土组合梁是在传统的钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构，采用抗剪连接件将二者连接起来，使其协同工作，共同受力。普通钢材的热工性能较差，在火灾下其材料性能很快劣化，但由于混凝土的存在可在一定程度上弥补了钢材的不足，所以钢-混凝土组合梁高温下的性能不能单独用钢结构或混凝土结构的研究成果来代替，需要对钢-混凝土组合梁的耐火性能展开进一步的研究。
Ranzi和Bradford(2007)[14]给出了计算部分剪力连接钢-混凝土组合梁高温下承载力的计算方法，该方法可以在进行结构设计时较方便的使用。Benedetti和Mangoni(2007)[15]基于傅里叶级数展开，给出了一种进行火灾下钢-混凝土组合梁力学性能的方法，并与已有的组合梁的试验结果进行了对比。
李国强和周宏宇(2007)[16]对两种组合梁形式：主梁式试件(压型钢板肋平行于钢梁)和次梁式试件(压型钢板肋垂直于钢梁)分别进行了抗火试验。试验研究发现：钢-混凝土组合梁中的混凝土板具有明显的热阻作用，不能忽略混凝土板对钢梁升温及温度分布的影响；由于混凝土和钢材的热膨胀系数不同，导致混凝土板和钢梁的高温膨胀变形不同，以及外荷载的共同作用，可导致梁端发生混凝土纵向剪切破坏。在试验研究基础上，建立了组合梁的有限元模型，对影响组合梁抗火性能的混凝土板、钢梁、栓钉相关参数，混凝土板中相关的纵筋参数、钢梁防火保护层相关参数和荷载参数进行了分析研究，理论研究表明：荷载比和防火保护层厚度是影响钢-混凝土组合梁耐火性能的两个主要参数；荷载比一定时，混凝土材料强度、混凝土板有效翼缘宽度和钢梁材料强度对组合梁的耐火极限影响很小，而混凝土板厚度、钢梁截面尺寸对组合梁耐火极限的影响相对较大。
高轩能等(2007)[17]利用有限元软件ANSYS对薄壁型钢-混凝土组合梁的温度场进行了分析，并研究了在型钢两侧填充混凝土后温度场的分布情况。陈玲等(2007)[18]进行了压型钢板-混凝土组合梁在局部火灾下的试验，测量出各测温点的温度数据，利用有限元程序反推出火灾条件下构件与环境之间的热辐射和热对流系数，并以此为边界条件模拟出工程中常用的各种窄翼缘工字型钢沿高度方向的温度分布。
毛小勇和张耀春(2007)[19]利用有限元软件ANSYS对标准升温情况下轻钢-混凝土组合梁的耐火性能进行研究，建立了温度场分析模型和力学分析模型，主要对轻钢-混凝土组合梁的抗力折减系数进行了分析，研究发现影响抗力折减系数的主要参数是梁高和钢梁厚度。
剪力连接件是钢-混凝土组合梁的关键部位，如果失去连接作用，组合梁将失效，因此研究剪力连接件在高温下的性能是很必要的。在进行理论分析时，可以近似认为剪力连接件能够完全起到连接的作用，无相对滑移，但事实上即便是完全剪力连接的钢-混凝土组合梁在常温下也会在接触面上发生滑移，在高温作用下其滑移问题会更加突出。目前见到的高温下剪力连接件性能研究的文章相对较少。彭桂林(2004)[20]通过对欧洲规范中推出试验数据结果的分析，对高温下连接件的极限承载力和力-滑移关系给出了说明，为火灾条件下考虑钢与混凝土接触面的滑移提供了参考。
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1.2.2 型钢混凝土梁
对型钢混凝土梁耐火性能的研究相对较少，目前尚未见到相关的试验研究报告。郑永乾(2007)[21]在用有限元程序模拟型钢混凝土柱和钢筋混凝土梁耐火极限试验的基础上，建立了型钢混凝土梁的理论模型，并对标准火灾下影响型钢混凝土梁承载力的因素：截面周长(C )、受火时间(t )、截面含钢率(α)、受拉钢筋配筋率(ρ)、型钢屈服强度(f y )、钢筋屈服强度(f yb )、混凝土强度(f cu )、截面高宽比(β )和钢筋的混凝土保护层厚度(c )等参数进行了分析比较，发现截面尺寸是影响火灾下型钢混凝土梁抗弯 承载力的主要因素(如图2所示，图2中k t 为火灾下型钢混凝土梁承载力影响系数，为火灾下型钢混凝土梁的抗弯承载力与常温下抗弯承载力的比值)。在参数分析的基础上给出了工程常用参数范围内：即
α = 3%―15%，ρ = 0.6%―1.8%，f y = 200MPa ―
500MPa ，f yb = 200MPa ―500MPa ，f cu = 30MPa ―80MPa ，β = 1.5―3，C = 500mm ―8000mm ，c = 20mm ―50mm 以及型钢的保护层厚度按构造要求的情况时，火灾下型钢混凝土梁承载力影响系数k t 的简化计算方法，该简化计算结果与数值计算结果吻合较好。
时间/min
图2 截面尺寸对k t 的影响[21]
Fig.2 Influence of section dimension on k t [21]
1.2.3 FRP 约束混凝土梁
FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)约束混凝土梁指在钢筋混凝土梁受拉区(一般指梁下部)粘贴FRP 布或板，利用FRP 材料的优良抗拉性能来弥补混凝土的不足，因FRP 约束了混凝土的开裂，故称为FRP 约束混凝土梁。FRP 材料已在建筑工程行业有广泛的应用，但由于高温下FRP 材料和胶粘剂失效，造成FRP 强度和刚度降低，因此很有必要对高温下FRP 约束构件的力学性能进行研究。高皖杨等
(2007)[22]对FRP 约束混凝土构件火灾下性能研究的历史和现状做了较详细的论述，此处不在重述。下面主要对火灾下(后)FRP 约束混凝土梁的一些较新研究成果进行介绍。
Williams 等(2007)[23]和Williams 等(2008)[24]在总结不同文献对FRP 约束混凝土梁高温下性能研究的基础上，报道了2个有防火保护FRP 约束混凝土T 梁的耐火极限试验，梁长3900mm ，保护层厚度分别为 25mm 和 38mm ，并采用有限元程序SAFIR 对试验结果进行了模拟，模拟结果与试验结果吻合较好，研究表明正确设计和采用防火保护FRP 约束混凝土梁的耐火极限可以达到4h 以上。
陈忠范等(2007)[25]在系统的研究了无机粘结剂(MOC)常温下和高温下力学性能的基础上，进行了一系列用无机粘结剂(MOC)粘结的FRP 约束混凝土梁高温下的试验研究，研究表明在没有附加防火保护的情况下，采用MOC 粘结剂的FRP 混凝土梁比采用环氧树脂类有机粘结剂的FRP 约束混凝土梁具有更好的火灾下性能，粘结剂失效的温度由通常的100℃增加到300℃。
胡克旭等(2007)[26]进行了2根采用厚涂型钢结构防火涂料保护和1根采用防火板保护的FRP 约束混凝土梁的耐火极限试验，研究表明：采用50mm 厚防火涂料全截面保护和采用40mm 厚硅酸钙防护板保护的试件的耐火极限均可达到120min 以上，满足《建筑设计防火规范》GB50016-2006(2006)[27]对梁耐火极限的要求。
Barnes 和Fidell(2006)[28]报道了24个FRP
约束混凝土梁和对比混凝土梁火灾后的试验结果，试验共分为五组：第一组是无约束混凝土梁；第二组是
FRP 约束混凝土梁，FRP 板与混凝土梁通过粘结剂粘接；第三组是FRP 约束混凝土梁，FRP 板与混凝土梁通过粘结剂粘接同时用螺栓锚固加强；第四组是在第二组基础上外加防火保护层；第五组是在第三组基础上外加防火保护层。试件受火1h ，冷却后在梁的四分点加载直到破坏。研究表明：有防火保护的试件比无防火保护试件具有更大的刚度和承载力；粘结剂具有足够的强度才能保证FRP 板和混凝土梁共同工作，但粘结剂温度达到140℃时就会失效，因此在使用FRP 材料时应设置足够的防火保护厚度；粘结剂失效后，锚固螺栓无法有效的将混凝土的应力传递给FRP 板，锚固螺栓在保证混凝土和FRP 共同工作方面的效用不是很明显。
承载力影响系数k t
0.20.40.60.81.2060120180
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1.3 组合柱
1.3.1 钢管混凝土柱
钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件。由于可以使材料性能充分发挥且具有较优的施工性能，使得钢管混凝土柱在建筑工程中的应用日益增多，深入研究其耐火性能，并基于此确定其抗火设计方法具有重要的理论意义和实用价值[3]。
国外学者较早开始钢管混凝土柱耐火性能的研究。Hass(1991)[29]采用数值方法计算了圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱的耐火极限，钢管核心为素混凝土或配筋混凝土，理论计算结果与实验结果基本吻合。
Lie(1994)[30]报道了两个在核心混凝土中配置钢筋的圆钢管混凝土柱耐火极限的实验结果，采用有限差分法计算了钢管混凝土柱横截面的温度场，并利用纤维模型法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，理论计算结果与实验结果基本吻合。Lie 和Caron(1988)[31]，Lie和Chabot(1992)[32]先后报道了38个圆形和6个方形截面钢管混凝土柱耐火极限的实验结果，对钙质混凝土和硅质混凝土两种情况进行了实验研究。通过对实验结果的分析发现，混凝土骨料类型对钢管混凝土耐火极限有一定的影响，即钙质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性较小，而硅质混凝土构件耐火极限的实测结果离散性相对较大。Lie和Stringer(1994)[33]基于上述实验结果，提出了一种计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化计算公式。
Kodur(1998)[34]报道了两个核心混凝土圆柱体强度为90MPa的钢管混凝土柱耐火极限实验结果，其中一个试件的核心混凝土中还配置了钢纤维，为了考察混凝土强度的影响规律，进行了两个钢管普通强度混凝土柱耐火极限的对比实验；Kodur和Lie(1997)[35]报道了三个内填钢纤维混凝土的方钢管混凝土柱耐火极限的实验结果，该文还提供了一种计算耐火极限的理论分析模型；Kodur 和Sultan(2000)[36]研究了核心混凝土圆柱体强度达95MPa的钢管高强混凝土柱耐火极限，考察了核心混凝土强度对钢管混凝土柱耐火极限的影响。以上研究结果表明，通过在高强混凝土中配置钢纤维可以有效地提高钢管高强混凝土柱的耐火极限。
Kodur(1999)[37]提出一种可以计算圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱耐火极限的简化公式。该公式中考虑了火灾下作用在构件上荷载的大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸和混凝土强度等影响。
采用耐火钢材是提高钢管混凝土柱耐火极限的一种有效的途径，Okada等(1991)[38]和Sakumoto 等(1994)[39]进行了采用耐火钢材的方钢管混凝土轴压和偏压柱的耐火极限试验，与采用普通钢材的方钢管混凝土柱的耐火极限试验进行了对比。
Wang(1997)[40]对Eurocode 4 中轴压无保护钢管混凝土柱耐火极限的简化计算结果与 36 个圆钢管混凝土柱和7个矩形钢管混凝土柱的试验结果进行了比较，研究发现：简化计算所采用的混凝土强度模型对结果影响较大；采用数值方法与Eurocode1中给出的计算等效曝火时间的方法进行了比较，发现该方法应用与钢管混凝土柱时计算结果是偏于不安全的，建议在计算结果基础上乘以2.35的影响因子来修正。Wang(1999，2000)[41―42]采用数值方法计算了钢管混凝土柱的耐火极限，并提出了一种计算有保护层和没有保护层圆钢管混凝土柱耐火极限的简化方法。
在以往国外研究结果的基础上，从1995年开始，作者课题组开始进行钢管混凝土柱耐火极限的试验研究，试验中主要考虑的变化参数有：柱截面形式、横截面尺寸、防火保护层厚度、轴心受压和偏心受压、混凝土强度和火灾荷载比等。试验研究结果表明：1) 其他参数一定时，荷载偏心率对耐火极限的影响不大；2) 耐火极限随着横截面尺寸等增大和火灾荷载比的减小而增大；3) 钢管混凝土柱在达到破坏状态时，局部出现鼓曲和褶皱，但整体性保持良好。在试验研究的基础上，提出了计算钢管混凝土柱耐火极限及火灾下强度与变形的理论模型，并在参数分析基础上给出了计算钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法[3]。
钢管混凝土柱在火灾后具有较好的整体性和较高的剩余承载能力，可修复性能较强，因此很有必要研究其火灾后的力学性能和工作行为，进而为制定合理的火灾后修复加固措施提供理论和试验依据。火灾后研究的文章主要有两类：一类是对恒高温作用后钢管混凝土柱的力学性能研究；另一类是对ISO-834(1975)[43]标准火灾作用后钢管混凝土柱的研究。
韩林海(2007)[3]报道了轴心受压钢管混凝土短
工程力学 235
柱在恒高温后和标准火灾升温作用后的试验研究
成果，探讨了该类构件受火后力学性能和剩余承载
力的变化规律，在确定钢材和混凝土在高温作用后
应力-应变关系模型的基础上，建立了ISO-834标准
升温曲线作用后钢管混凝土柱的数值计算模型，并
利用该模型进行了参数分析，提出了计算火灾后钢
管混凝土柱剩余承载力和残余变形的简化计算方
法；余志武等(2003)[44]进行了高温后钢管高性能混
凝土(C80)短柱的试验研究，并根据试验结果，建立
了高温后钢管高性能混凝土组合材料应力-应变关系曲线计算公式和极限强度、峰值应变、极限承载力等经验计算公式；姜绍飞等(2004)[45]对恒高温作用后方钢管混凝土双向偏压构件的力学性能进行试验研究，研究发现，高温后方钢管混凝土双向偏压构件仍有较高承载力和较好的延性；金伟良和袁伟斌(2006)[46]建立了ISO-834标准升温曲线作用后离心钢管混凝土短柱极限承载力的简化计算公式；丁发兴和余志武(2006)[47]探讨了恒高温后混凝土轴对称三轴受压应力-应变关系和复杂受力下的钢材多轴应力-应变关系模型，并编制相应的计算程序对恒高温后钢管混凝土轴压短柱受力性能进行弹塑性全过程分析。
Lu等(2007)[48]首次报道了4根无防火保护中空夹层钢管混凝土柱的耐火极限试验，截面形式有圆套圆、圆套方和方套圆三种，内填自密实混凝土，火灾荷载比从0.34到0.68，从试验结果来看，无防火保护的中空夹层钢管混凝土柱的耐火极限从40min到115min不等。Yang和Han(2008)[49]采用数值方法建立了可计算标准火灾下中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的理论模型，并在此模型基础上进行了参数分析，给出了计算中空夹层钢管混凝土柱耐火极限和防火保护层厚度的简化计算方法。
作者最近在公安部天津消防研究所柱炉中进行了4根矩形薄壁钢管混凝土柱的耐火极限试验，其中2根在钢管内壁设置了纵向加劲肋，主要考虑了火灾荷载比、荷载偏心率等参数的影响。从试验结果可以发现设置纵向加劲肋可以提高薄壁钢管混凝土柱的耐火极限，火灾后带肋钢管混凝土柱保持了较好的整体性，且荷载偏心率对耐火极限的影响较小。图3为带肋薄壁钢管混凝土柱试验前后的对比图。
(a) 试验前
(b) 试验后
(c) 除去钢管
(d) 除去混凝土
图3 带肋薄壁钢管混凝土柱
Fig.3 Concrete filled thin-walled steel tube columns
with stiffeners
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众所周知，实际火灾是一个连续的过程，从火灾发生到熄灭，建筑结构的环境温度发生了升温(OA)-降温(AB)-火灾后(BC)三个阶段的变化(如图4所示，图4中t为时间轴，T为环境温度轴，N为荷载轴，T o为常温值)，在这一过程中结构构件始终承受外部荷载N o的作用，即建筑发生火灾时，结构实际经历的是图4中O′→A′→B′→C′这样一种时间(t)-荷载(N)-环境温度(T)路径。以往的研究中一般只单独考虑了升温、恒高温或火灾后三个阶段钢管混凝土柱的力学性能：1) 升温阶段的研究一般指标准火灾升温曲线下试件的耐火极限研究，对应图4中的O→O′→A′；2) 恒高温阶段的研究一般指按照某一升温速率使环境温度达到特定高温后维持不变，直到试件整体温度与环境温度一致，研究这时试件在外部荷载作用下的力学反应，对应图4中的O→E→F→G；3) 火灾后阶段的研究指试件经过标准升温曲线或恒高温作用后降到常温，再对试件施加外荷载，研究试件被高温损伤后的性能，对应图4中的O→A→B→C→D。可以看出，这三种路径与实际建筑火灾中构件时间(t)-荷载(N)-环境温度(T)路径是不同的，而我们研究的时间(t)-荷载(N)-环境温度(T)路径与实际的建筑结构经历的路径越接近，研究的成果越能反应实际情况。为此，应该引入全过程火灾的概念，通过试验或理论研究O→O′→A′→B′→C′→D这样一条时间(t)-荷载(N)-环境温度(T)全过程火灾路径。
图4 时间-荷载-环境温度变化路径示意图
Fig.4 Time-load-temperature relationships Yang等[50]对钢管混凝土柱在ISO-834标准升降温曲线作用全过程下的力学性能进行了研究。确定了降温段和火灾后阶段钢材和混凝土的本构关系模型，在此基础上编制了非线性有限元计算程序NFEACFST，并利用此程序对钢管混凝土柱全过程火灾作用后力学性能的影响参数进行了分析，得出结论：对于剩余承载力影响系数，升温时间比、火灾荷载比、截面尺寸和构件长细比是主要影响因素，而截面含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度、荷载偏心率、保护层厚度、矩形截面的长宽比等参数在规定的参数范围内，对剩余承载力影响系数的影响不大；对于残余变形，升温时间比、火灾荷载比、截面尺寸、构件长细比、荷载偏心率、保护层厚度是主要影响因素，而截面含钢率、钢材屈服强度、混凝土强度、矩形截面的长宽比等在规定的参数范围内，对残余变形的影响不大。在参数分析的基础上给出了剩余承载力影响系数和残余变形的简化计算公式。
建筑结构抗火设计的总体目标可概括为：最大限度地减少人员(包括消防队员)伤亡、降低财产的直接和间接损失、减轻对环境的污染和影响。由于钢管混凝土具有较好的耐火性能及火灾后可修复性能，因此更容易实现发生小火时结构不破坏、在正常火灾作用后可尽快修复，而发生大火时结构不倒塌的目标[51]，进行钢管混凝土柱全过程火灾的研究，可以为实现这一目标提供更细致的理论参考依据。
1.3.2 型钢混凝土柱
型钢混凝土(SRC)柱具有承载力大、抗震性能好、耐腐蚀等优点，在多高层建筑中应用日益广泛。以往学者对于型钢混凝土构件的研究多集中在常温下力学性能方面，对火灾下的力学性能研究相对较少。
试验研究方面，Hass(1986)[52]较早报道了40个型钢混凝土柱耐火极限的试验结果和理论计算结果。Yu等(2007)[53]报道了6个火灾下型钢混凝土柱力学性能的试验研究，考察了荷载偏心距和构件长度等参数的影响，采用有限元程序对试验结果进行了模拟，在大量参数分析的基础上给出了考虑长细比和荷载偏心率等参数影响的高温承载力简化计算公式。
Huang 等(2007,2008)[54―55]以轴向约束率为主要参数进行了4个四面受火情况下型钢混凝土柱的试验研究；采用有限元软件SAFIR和自编程序FEMFAN-3D分别模拟了型钢混凝土柱的温度分布和受力性能，分析了截面尺寸和火灾荷载比等参数对型钢混凝土柱耐火极限的影响规律。
宋天诣等(2007)[56]报道了4根型钢混凝土柱耐
工 程 力 学 237
火极限的试验，考虑了截面形式、荷载偏心距和火灾荷载比等参数的影响，通过试验发现：截面形式(“十”字型型钢或“工”字型型钢)和荷载偏心距(0mm 或75mm)对型钢混凝土柱的耐火极限影响较小，而火灾荷载比的影响相对较大；且在高温下型钢和混凝土之间可以较好的协调工作，二者之间没有发生明显的滑移。图5为典型试件试验前后的一些情景。
(a) 试验前
(b) 试验后
(c) 局部破坏
(d) 内部型钢
图5 型钢混凝土柱耐火实验的情景
Fig.5 A general view on the fire-resistance test of a steel
reinforced concrete column
ECCS(1988)[57]给出了型钢混凝土柱耐火极限设计曲线，适用于截面边长不大于1m ，有效长度
不大于 5m ，最大偏心距 5mm ，受火时间不超过120min 等的情况。Eurocode 4(2005)[58]给出了型钢
混凝土柱两端铰接时全包型(totally encased)截面和部分包裹型(partially encased)截面的耐火极限表格，全包型截面的耐火极限与截面尺寸、型钢保护层厚度、钢筋保护层厚度等参数有关，与火灾荷载比和长细比无关；部分包裹型截面的耐火极限与火灾荷载比、截面尺寸、配筋率、钢筋保护层厚度等参数有关，与长细比无关。
韩林海和郑永乾(2005)[59]总结和分析了国内外有关钢材和混凝土热工性能和热力学性能的研究，建立了求解构件截面温度场以及耐火极限的有限元分析模型，并对搜集到的型钢混凝土柱耐火极限试验结果进行了验算；分析了截面尺寸、构件长细
比、截面含钢率、截面配筋率、荷载偏心率、型钢和钢筋屈服强度、混凝土强度、截面高宽比等参数对火灾下构件承载力的影响规律式，给出了型钢混凝土柱耐火极限的简化计算方法。
Wang 和 Tan(2006)[60]提出了一种剩余面积方法用于进行型钢混凝土截面温度分析，给出了混凝土等效厚度公式，该公式基于试验数据的回归，选取了三个典型位置的点，可用于计算配置工字型钢截面典型点的温度，混凝土等效厚度设计方法主要和混凝土保护层厚度、剩余面积、混凝土吸热作用
等因素有关。
型钢混凝土柱是由钢材和混凝土两种材料组
合，承受外荷载的一种结构形式，两者之间能够协
238 工程力学
调互补、共同工作是形成型钢混凝土柱的重要前提，因此了解型钢和混凝土之间的粘结滑移性能是非常重要的。型钢和混凝土之间的粘结力主要由三部分组成：混凝土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力、型钢与混凝土接触面上的摩擦阻力和型钢表面粗糙不平的咬合力[61]，高温下这三部分力会发生明显的变化，与常温下有显著不同，应对高温下型钢与混凝土之间的粘结力进一步进行研究。目前已见的文献中尚没有对高温下型钢与混凝土粘结性能的试验报告。李红和李新忠(2003)[62]在17个常温下型钢混凝土试件的拨出试验的基础上[63]，考虑了由于高温下混凝土强度的变化而引入的粘结强度折减，给出了与温度有关的折减系数k t，k t与常温下型钢与混凝土粘结强度的乘积即为某一温度下型钢与混凝土之间的粘结强度。郑永乾(2007)[21]在常温下型钢与混凝土之间局部粘结应力-局部滑移关系式的基础上，引入高温下粘结强度变化系数和极限滑移量变化系数，得出了高温下型钢与混凝土之间局部粘结应力-局部滑移的本构关系式。以上研究均是基于对型钢与混凝土之间粘结滑移常温试验的基础之上而得到的理论公式，有待于用高温下的试验来进一步验证。
1.3.3 FRP约束钢管混凝土柱
FRP约束钢管混凝土柱是在钢管混凝土柱外包FRP材料，从而使钢管内的核心混凝土处于FRP和钢管的双重约束之下，采用FRP约束钢管混凝土柱可以较好地提高钢管混凝土柱在常温下和火灾后的承载力。由于采用FRP加固过的钢管混凝土柱在使用过程中仍存在遭受火灾危险的可能，因此很有必要研究FRP约束钢管混凝土柱的抗火性能[64]。
目前对FRP约束钢管混凝土柱耐火性能方面的研究相对较少，尚未见到理论方面的研究报道。陶忠等(2007)[65]报道了2根FRP约束钢管混凝土柱耐火极限的试验，试件长度为3810mm，圆形截面，钢管外径为325mm，外包纵向和环向的FRP布，FRP外涂厚涂型钢结构防火涂料，试件两端与加载装置采用球铰连接，分别受轴向荷载和偏心荷载。从试验结果可以发现：采用防火涂料保护FRP约束钢管混凝土柱可以满足《建筑设计防火规范》GB50016-2006(2006)[27]对柱耐火极限的要求；对于有纵向纤维的FRP约束钢管混凝土柱，荷载偏心距对耐火极限影响较大。
钢管混凝土柱在火灾后具有较好的可修复性，研究用FRP修复后形成的FRP约束钢管混凝土柱具有较大的工程意义。文献[66―68]对火灾后用FRP布包裹修复的钢管混凝土柱的力学性能进行了一系列的试验研究，研究表明：火灾后采用FRP修复形成的FRP约束钢管混凝土短柱的承载力较未修复的钢管混凝土柱有明显提高；在长细比较大或承受较大偏心荷载的情况下宜采用双向FRP布来加固。Tao等(2008)[68]对火灾后用FRP修复的钢管混凝土柱的滞回性能进行了研究，研究发现修复后，FRP钢管混凝土柱的极限侧向承载力、弯曲刚度和耗散能均有所提高。
1.3.4 FRP约束混凝土柱
FRP约束混凝土柱耐火性能的研究起步较晚，已有的报道多是试验研究结果，而理论分析相对较少，加拿大国家研究委员会进行了一系列FRP约束混凝土柱的耐火极限试验，并在试验的基础上进行了理论分析[69―74]。
Kodur等(2004)[70]报道了2根采用防火保护的FRP约束圆形混凝土柱耐火极限的试验结果，柱长3810mm，截面直径406mm，采用加拿大规范CAN/ULC-S101(1989)[75]规定的升温曲线，并进行了1根钢筋混凝土柱的对比试验。研究发现：采用防火保护后FRP约束混凝土柱同普通钢筋混凝土柱一样具有较好的耐火性能，在火灾荷载比为0.73的情况下耐火极限超过了 5h，达到了CAN/ULC- S101(1989)[75]中对柱的耐火极限要求。
Kodur 等(2004)[71]报道了3根采用防火保护的FRP约束混凝土柱的耐火极限试验，其中2根为圆形(φ400mm)截面，1根为方形(400mm×400mm)截面。圆形截面试件火灾荷载比为 0.5，在 CAN/ULC- S101(1989)[75]火灾曲线作用下，升温5.5h还没有破坏，最终增加柱端荷载到最初荷载值的1.8倍，试件才破坏；方形截面试件的火灾荷载比为0.69，升温4.25h后破坏。从试验结果发现采用防火保护后，可以有效的避免FRP材料在高温下失效，使构件达到规范规定的耐火极限要求。在试验研究的基础上Kodur等建立了FRP约束圆形混凝土柱的数值计算模型，且数值计算结果与试验结果吻合较好。
Bisby 等(2004)[69]和Bisby等(2005)[73]给出了FRP约束混凝土柱的有限元计算模型，该模型首先计算了柱截面的温度场分布，在温度场计算的基础上进行了柱的承载力计算。温度场分析时，假设在某一混凝土单元温度达到100℃时，热量的传递只
工程力学 239
引起混凝土中水的蒸发，在水蒸发完全以前该单元温度维持在100℃，模型中忽略了水蒸气对材料热工性能的影响以及混凝土内部钢筋对截面温度场的影响。数值分析计算的柱耐火极限和轴向变形-时间曲线与已有试验的结果吻合较好。
Chowdhury等(2007)[74]报道了2根有防火保护和没有防火保护的FRP约束混凝土柱的耐火极限试验，并采用文献[73]的方法进行了数值模拟。从试验结果来看，在其余参数完全一致的情况下，有防火保护的试件比没有防火保护的试件耐火极限至少长90min，充分说明了防火保护对增加FRP约束混凝土柱耐火极限的有效性。
在以上研究成果的基础上，Kodur等(2007)[76]给出了进行FRP约束混凝土柱抗火设计的初步指导方法，并利用该方法进行了实例分析。
Han 等(2006)[77]利用有限元法建立了钢筋混凝土柱和FRP约束钢筋混凝土柱的计算模型，利用该模型进行了参数分析，回归出了计算火灾下钢筋混凝土柱剩余承载力系数的简化公式，并根据该公式给出计算FRP约束钢筋混凝土柱耐火极限的简化方法。
2 结构节点耐火性能的研究
梁-柱节点是框架结构受力的关键部位，深入认识建筑框架结构中梁-柱连接节点在火灾下的力学性能，是进行有关结构体系性能化抗火设计的重要前提和基础。
与对基本结构构件耐火性能的研究进展相比，对火灾下梁柱节点工作机理和力学性能的研究尚有待于深入进行。以往，研究者们对火灾下梁柱节点的试验研究与理论分析已取得一些成果，尤其在欧美等一些发达国家，由于钢结构在高层建筑中应用较多，故对钢结构节点的研究相对较多[78]。
对火灾下钢结构节点性能的研究主要集中在以下三个方面：1) 节点内部及其周围相邻构件的温度场分布；2) 高温下节点的弯矩-转角关系；3) 节点变形和内力重分布引起的结构整体反应等。
准确地确定节点不同区域的温度场分布是进行火灾下节点力学性能研究的重要前提。由于热传导的时间性，在受火时间相同的情况下，节点区的温度分布和与其连接的梁、柱构件会有所不同，它取决于节点区的表面积和材料体积等参数。通常情况下，由于节点的体表面积比要大于与其连接的梁、柱构件的相应值，因而其温度要稍低。Franssen(2004)[79]采用有限元软件SAFIR计算了不同类型钢结构节点在不同火灾模式下的温度场分布，结果表明，虽然节点温度比梁柱相应温度低，但仍高于完全按节点体表面积比计算得出的数值，其原因在于节点与梁柱相连，其温度场分布还要受到梁柱升温的影响。
由于结构火灾试验对试验装置、量测控制系统等都有特殊要求，进行梁柱节点试验相对有一定的难度，但通过研究者们的不懈努力，该问题已逐步得到解决。例如Lawson成功地进行了八个十字形梁柱节点的试验研究[80]，其中包括刚性节点、半刚性节点以及铰节点，试验采用ISO-834标准升温曲线。试验结果表明螺栓以及由其连接起来的构件在火灾下保持承载力的同时能经受相当的变形，同时火灾下梁柱之间存在相互影响，研究节点的耐火性能比单纯的构件研究更接近于实际。Leston-Jones 等(1997)[81]和Al-Jabri等(2005)[82]先后报道了由英国建筑科学研究院、谢菲尔德大学和英国钢结构协会等合作完成的两批钢结构梁柱节点试验研究成果。第一批进行了5个高温和一个常温情况下的试验，采用平齐式端板连接节点。试验时仅节点区位于试验炉内，梁柱的支撑和加载装置均放在试验炉外，试验最终获得了高温下节点的弯矩-转角关系。Al-Jabri等(2005)[82]报道的第二批试验共20个试件，在第一批试验的基础上进一步详尽地考察了节点类型、构件尺寸、端板厚度等参数对节点高温下力学性能的影响。Ding和Wang(2007)[83]进行了采用螺栓连接的钢梁-钢管混凝土柱节点在火灾下力学性能的实验研究和分析。上述工作可为更合理地进行梁柱节点的耐火性能研究提供参考，也促进了相对较为复杂的火灾下节点耐火实验技术的进一步发展。
随着试验研究工作的进展，为了能更全面地了解梁柱节点在火灾或高温作用下的力学特性，一些研究者采用理论模型来模拟钢结构节点在高温下的弯矩-转角关系[81,84―87]。模拟方法主要有：一是基于对试验曲线的直接回归获得有关数学表达式[81,84]；二是引入分区的概念，分别考虑组成钢结构节点的螺栓、端板、柱翼缘及柱腹板等不同区域在温度变化情况下的受拉或受压变形，然后将这些变形合成为整体梁柱节点的变形[85―86]；第三种是有限元法，即通过计算得出节点区不同部位的温度场
240 工程力学
分布，考虑材料在高温下强度和刚度的退化，计算获得节点的弯矩-转角关系[87]。以上三种方法中以有限元法的分析工作最为细致，但工作量相对也较大。
从20世纪90年代末开始，英国的Manchester 大学和Sheffield大学开始联合研究在ISO-834标准火灾升温曲线作用下子框架的力学性能[88]，其框架梁未进行防火保护，而框架柱进行了防火保护，节点分别采用平齐式端板连接和双腹板角钢连接两种形式。试验主要目的在于考察火灾下结构整体性能、两端受到约束梁的破坏模态以及高温下节点的力学性能。试验采用在梁上两点加载的方法。结果表明：实际为半刚性的节点比理想铰节点更利于提高梁的承载能力，且随着节点刚性的增加，梁在火灾后期产生大挠度情况下的悬链效应将更为明显，节点的力学特性对整体框架结构的力学性能有显著的影响。节点火灾试验是了解节点火灾下性能最直接的方法，但节点种类较多且在不同的工况下其力学反应各不相同，使得试验研究无法涵盖所用的类型，因此通过有限元方法来模拟节点火灾下的受力情况可以作为试验研究有效的补充。目前计算机技术的进步，也使得研究者可以利用有限元软件将节点部位的连接情况细致的模拟出来，使模拟结果与实际试验更加接近。Yu 等(2008)[89]利用有限元软件ABAQUS中的显示动态求解模块，对螺栓连接钢节点常温下和高温下的力学性能进行了较精确的模拟，解决了连接处螺栓与板件的复杂接触造成的迭代不收敛问题，并与已有的钢节点试验结果进行了比较。
El-Rimawi等(1995)[90]将用于钢梁火灾下性能分析的切线刚度法推广到钢框架结构的火灾性能分析，在计算时考虑了节点的刚度退化和轴力的二阶效应。分析结果与试验结果吻合较好。利用上述方法，El-Rimawi等(1999)[91]对火灾下的钢框架进行了参数分析，参数包括：轴力、受火位置、截面尺寸以及节点类型等。结果表明，梁柱节点的刚性对框架的耐火性能和耐火极限的影响较为显著。
钢筋混凝土框架耐火性能的研究结果也表明，火灾作用会引起框架内力的重分布[92―94]。因此，仅研究单个构件的耐火性能远远满足不了实际的需要。
从 1994 年开始，英国建筑科学研究院(BRE)的Cardington试验室进行了一栋8层足尺钢结构房屋的系列火灾试验研究[95]，采用了钢结构梁柱，压型钢板组合楼板。对这栋房屋先后共进行了多次试验，这些试验分别在房屋的不同楼层或同一楼层的不同位置进行。研究结果进一步加深了人们对结构耐火性能研究和抗火设计等关键问题的认识，如提出应考虑建筑结构的整体性来进行结构的抗火设计以使结构构件满足耐火极限的要求等。在Cardington试验过程中，研究者们对梁柱节点附近区域的破坏进行了仔细观察，发现其破坏模态主要有梁下翼缘的局部屈曲、梁腹板的剪切破坏，柱翼缘受压屈曲等。这些破坏中的大部分都是由于结构本身具有的整体性所引起，在单独基本构件的试验中是无法观察到的。这些研究工作也进一步说明了深入研究结构节点，乃至结构体系耐火性能和抗火设计方法的重要性和必要性。
目前，基于确定设计目标，且能达到要求可接受的性能化设计方法已在钢结构工程抗火设计中得到发展和应用[95―96]。建立合理的火灾作用下结构体系的分析方法，是实现性能抗火设计目标的重要基础，而深入了解梁柱节点的工作机理和力学性能又是结构分析计算的重要前提。
作者课题组近年来在建筑框架梁-柱连接节点耐火性能和抗火设计原理方面进行了一些探索性的研究工作，具体内容有：1) 建立梁-柱连接节点耐火性能的有限元分析模型；2) 进行必要的火灾作用下梁柱节点试验研究；3) 计算分析火灾作用下节点的荷载-变形全过程关系，深入研究节点在力和温度作用下的工作机理，考察火灾下节点的破坏机制和承载力变化规律；4) 利用理论分析模型，系统分析影响节点力学性能的诸因素；5) 在参数分析结果的基础上，研究钢-混凝土组合结构节点承载力和耐火极限实用计算方法。目前，已经完成了部分型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点和方钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点的耐火极限试验[21]，在其他参数相同的情况下，试验主要考虑了不同梁荷载比(0.3和0.6)对耐火极限的影响。为了更接近工程实际，节点带有混凝土楼板，以考虑楼板的吸热以及对节点刚度的贡献，楼板以下部分受火，以模拟建筑结构中局部楼层火灾的情况。试验结果表明，在研究参数范围内，钢管混凝土、SRC柱与钢筋混凝土或SRC梁组成的梁-柱连接节点在火灾下表现出较优越的力学性能，节点的破坏模态呈现出良好的延性性能，但节点区的混凝土梁和混凝土柱会发生明显
工程力学 241
的保护层剥落现象。图6为试验后典型节点的破坏照片。
(a) 钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点
(b) 型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点
图6 组合节点破坏形态
Fig.6 Failure mode of the composite connection
在试验研究的基础上，考虑了高温下型钢与混凝土、钢筋与混凝土之间的粘结滑移、型钢焊接残余应力等的影响，建立了分析型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点火灾下受力性能的数值分析模型[21]。利用该模型对各种重要参数，如：柱截面周长、柱长细比、柱含钢率、柱配筋率、柱型钢屈服强度、柱钢筋屈服强度柱混凝土抗压强度、轴压比、梁荷载比、梁柱线刚度比、梁柱极限弯矩比等对火灾下节点梁跨中挠度、节点相对转角、节点弯矩、节点初始刚度和耐火极限的影响规律进行了初步分析。
3 火灾对建筑结构体系力学性能的
影响
不少研究者期望通过努力将复杂的结构受力用简单的力学模型来描述，例如将简支板、简支梁和铰接柱这三种简单的构件形式作为标准构件，展开对结构体系的研究。同样对于结构耐火性能的试验或理论研究也是从简支或铰接构件开始的，但在实际建筑结构中很少有这种理想的情况，板、梁、柱往往会由于相邻构件的影响，在端部产生除简支或铰接约束以外的附加约束来限制其自由转动或轴向变形，即形成了相对与简支或铰接标准构件的约束板、梁和柱的情况。图7所示为标准构件与约束构件变形示意图。由于约束作用的存在，在相同荷载下约束构件变形较标准的简支或铰接构件要小，从而使得整体结构中构件抗火性能与无约束的标准构件有显著的不同。为此，有必要对考虑整体性的结构抗火展开试验和理论研究。
(c) 简支梁
弯曲
242
工 程 力 学
(d) 约束梁
(f) 约束柱
图7 标准构件与约束构件变形示意图
Fig.7 Standard element and restrained element deformation
近年来试验技术得到了飞速的发展，新型的火灾试验炉、大吨位的加载设备以及量测技术的进步，使得研究者们可以在试验室中模拟出更接近实际火灾的工况，从而对整体结构在火灾下的反应有了更加直观的认识。计算机技术的进步也使得研究者们可以对试验结果进行更加细致的理论分析。典型的Cardington 足尺结构火灾试验和对“9·11事件”的数值模拟都得益于试验技术和计算技术的进步，同时，这些研究也为进一步了解火灾下结构的整体反应开创了新的研究思路。
在英国Cardington 进行的8层足尺钢结构试验中，BRE 进行了位于3层的角部隔间火灾试验和位于3层的大隔间火灾试验，Corus 进行了位于7层的约束组合梁火灾试验、位于4层的平面框架火灾试验、位于2层的角部隔间火灾试验和位于2
层的标准办公室火灾试验。Cardington 试验使得研究者们对整体建筑在真实火灾下的结构性能有了新的
认识：1) 非承重构件(如设计时不用做承受竖向荷载的风撑)可明显减少火灾下钢梁的竖向挠度；2)在整体结构中，钢梁下翼缘和腹板处发生的局部屈曲对钢梁稳定性影响不明显；3) 在整体结构中，钢
梁和楼板应该作为楼板体系来统一进行抗火分析，而不应作为两个单独的构件来计算；4) 降温过程中，楼板会阻碍钢梁的收缩，从而在节点处产生拉应力，造成端板和螺栓的断裂；5) 在整体结构中楼板表现出了拉力膜效应，使得楼板能承受比作为组合梁受压翼缘更大的荷载；6) 在梁边缘能够提供足够的水平约束时，在火灾下组合梁会表现出悬链线效应，使其达到较大挠度[95,97
―98]
。
美国国家标准与技术协会(NIST)[99]对2001年
发生在美国的“9·11 事件”进行了详细的分析，并给出了30条建议来提高火灾下建筑物、居民和救灾人员的安全性。在对WTC 进行数值模拟时，NIST 首先利用AST(Adiabatic Surface Temperature)节点将火灾模型转化为结构实体单元的温度场，然后将实体单元的温度场作为初始条件应用于壳单元和梁单元组成的WTC 力学计算模型中，从而较精确的模拟了火灾下WTC 大楼的破坏模态[100]，研究结果进一步表明，考虑结构整体性的结构抗火性
能与单一构件的抗火性能有显著不同，WTC 大楼的倒塌首先是楼盖桁架梁坍塌开始，梁的塌落改变了外柱的计算长度，从而使柱的承载力下降，最终造成结构的整体倒塌。
对板的拉力膜效应、梁的悬链线效应以及约束柱的耐火性能等进行了大量的研究，推动了结构抗火理论的发展。火灾下，楼板中的混凝土随着温度的升高，从楼板中心开始向四周扩散破坏，楼板中部的钢筋或压型钢板由于受到周围构件以及未破坏混凝土的约束，形成了一层可承受横向荷载的钢筋网或压型钢板组成的薄膜，产生了拉力膜效应，而沿板四周的压力膜效应形成的压力环为中部的拉力区提供支撑，如图8所示为四角约束的楼板产生的薄膜效应，对于四周约束的楼板其拉力膜效应会更加明显[101]。同样整体结构中的梁，在外荷载作用下产生较大变形时，由于梁端的约束作用，在火灾下受弯的梁转变为受轴向拉力的索，索所能提供的等效荷载大于梁承受的荷载，从而产生了悬链线效应。拉力膜效应和悬链线效应的存在使得板和梁具有更久的耐火极限，但同时也由于这种效应，板和梁对其相邻的柱有很大的拉力作用，使得整体
工程力学 243
结构破坏可能会从柱的压弯破坏开始，进而引起柱的连续性倒塌，最终造成结构破坏。图9所示为某高层建筑火灾后楼板的变形情况，四根柱之间的楼板中部发生了明显的下陷，产生了图8所示的薄膜效应。
图8 角部约束楼板的薄膜效应
Fig.8 Membrane action in a floor slab with corners restraint
图9 某高层建筑火灾后楼板的变形形态
Fig.9 Slab deformation of a tall building after exposure to fire 英国Sheffield大学对火灾下楼板的拉力膜效应进行了一系列的理论分析[102―105]，编制了基于厚板理论的非线性分层有限元程序VULCAN，该程序可以考虑几何非线性和材料非线性，以及热膨胀、混凝土的开裂、材性随温度的变化等的影响，利用该程序，Huang等(2001)[106]对Cardington的约束梁试验进行了模拟，与试验结果吻合较好；Huang等(2004)[103]利用VULCAN对采用不同保护方法的楼板火灾下的拉力膜效应性能进行了比较分析，Huang的研究结果表明，受火时混凝土的剥落会对构件的性能产生较大影响，混凝土剥落严重时，内部钢筋裸露在火焰下，钢筋网形成的拉力膜区域会较快失效，造成楼板破坏；在整体结构中，受火楼板位置的不同，对整体结构的安全性影响较大，受火区域位于建筑角部分区时，板的拉力膜效应对整体结构影响很明显，会形成恶性循环，造成边(角)柱的破坏，而位于建筑中部分区时该影响相对较小。
由于火灾试验需要特殊的试验炉来实现，对于一些尺寸较大的火灾试验，由于设备限制只能采用近似的常温试验来模拟。Bailey等(2000)[107]制作了9.5m×6.5m×0.13m的压型钢板组合楼板，四边约束其水平位移，为了模拟火灾下楼板的性能，Bailey 等在加载前将钢板层移去，来近似模拟钢板在火灾下的失效破坏，移去钢板后，在楼板上加载直到试件破坏，研究发现混凝土楼板表现出很明显的拉力膜效应，极限荷载达到了经典屈服线理论计算结果的2倍左右。随着试验装置的进步和火灾试验炉的修建，学者们可以对板的薄膜效应进行更接近实际的试验研究。Bailey和Toh(2007)[108―109]分别报道了44个和48个尺寸为1.7m×1.1m和1.1m×1.1m的混凝土楼板的试验结果，每批试验中有一部分为常温试验另一部分为火灾试验，为了研究火灾下楼板的拉力膜效应，火灾试验时楼板四周的钢框架梁进行了防火保护，而内部钢梁未进行保护。Bailey和Toh(2007)[108]在试验基础上，还给出了基于薄膜增量理论和屈服线理论的板的常温下楼板的分析方法，并在假设火灾下楼板温度单调增加，混凝土温度比钢筋温度低20%的基础上，给出了火灾下楼板的分析方法。
20世纪末，英国的Edinburgh大学和Manchester 大学开始对火灾下处于结构整体中的构件性能进行研究。Usmani[110―111]和Flint等(2007)[112]对WTC 双子塔进行了二维有限元模拟，研究发现在温度较低的情况下，温度膨胀引起的几何尺寸变化可能会先于材性劣化而造成结构的倒塌；大跨径的楼板系统中，由于结构整体性对楼板系统的约束作用，楼板和梁在火灾下可以发生较大的位移而不破坏(即楼板的拉力膜效应和梁的悬链线效应)，但由于楼板系统与柱之间的相互作用会增加柱的弯矩而导致柱破坏直到结构整体倒塌。Usmani(2007)[113]在以上研究的基础上，对强柱弱楼板和强楼板弱柱两种情况下，高层建筑的破坏模态进行了研究，如图 10所示，由于高温下板的拉力膜效应和梁的悬链线效应，板和梁对柱都产生了拉力作用，对于强柱增加了P-δ效应，而对于弱柱则形成塑性铰使柱变为机
楼板下陷
244 工程力学
构，都造成了柱先破坏，最终导致建筑整体倒塌。在以上分析基础上，Usmani给出了评估多楼层起火时高层框架结构破坏的简化方法，为工程设计时综合考虑结构整体性和火灾情况提供了参考。
(a) 强柱弱楼板
(b) 强楼板弱柱
图10 高层建筑火灾下倒塌机理
Fig.10 Collapse mechanisms for tall buildings in fire
学者们对约束梁也进行了一系列的试验和理论研究。Yin 和 Wang[114―117]采用有限元软件ABAQUS对高温下约束钢梁的悬链线效应进行了数值分析。Yin 和 Wang(2003)[114]将数值分析结果与BS5950和EC3等规范提供的钢梁临界温度的计算结果进行了比较，研究发现这两本规范计算的结果要低于数值分析结果，且只能用于温度均匀分布的情况；Yin和Wang(2004)[115]对影响高温下约束钢梁性能的参数进行了分析，发现轴向约束刚度是影响钢梁挠度和轴力的最主要因素；在以上研究的基础上，Yin和Wang(2005)[116―117]给出了分析均匀温度场和不均匀温度场下钢梁悬链线效应的简化方法，为考虑悬链线效应钢梁的抗火设计提供了依据。
已有的研究表明，整体结构中周围构件对梁的约束刚度的强弱对火灾下约束梁的力学性能和破坏模态有显著的影响，而节点的连接类型与梁端约束刚度有直接的关系，Ding和Wang(2007)[83]进行了7榀方钢管混凝土柱-钢梁子框架和3榀圆钢管混凝土柱-钢梁子框架的耐火试验，重点研究了4种不同连接形式(肋板式连接、T形钢连接、U形钢连接和端板式连接)的破坏模态，由于节点对钢梁的约束作用，钢梁的耐火极限大于按简支构件计算的结果，且研究表明U形钢连接节点具有较大的刚度和强度，可以使约束钢梁的悬链线效应发展更充分，这也说明在结构抗火设计时考虑整体性的影响可以使设计更加合理；文献还进行了2榀考虑降温过程的子框架试验，降温过程中节点区出现了一定的拉应力，但由于模型尺寸较小，所以没有出现像Cardington试验那样螺栓被拉断的现象。该研究表明对于同样的梁构件，采用不同的节点连接构造，可以改善其火灾下的性能，因此在性能化的抗火设计中，采用合理的防火构造措施非常重要。
实际火灾中约束钢梁节点处连接螺栓也会发生破坏现象。图 11 所示为某一采用工字钢梁与压型钢板-混凝土组合楼板组合体系的实际建筑，遭受火灾后，主梁与次梁连接钢节点的破坏模态。次梁两端以及上翼缘受到主梁和压型钢板-混凝土组合楼板的相互作用成为约束梁，在火灾初期，次梁下翼缘受热膨胀同时外荷载会在节点处产生负弯矩，且由于高温导致钢材材性劣化，这些因素共同作用导致节点区梁下翼缘发生局部屈曲，而在降温阶段次梁的降温收缩受到两端主梁的约束，在梁端形成拉应力区，传递给连接螺栓产生很大的剪切作用，最终导致螺栓被剪断，节点破坏。从另一个角度来说，虽然次梁局部屈曲，两端破坏，但并没有引起次梁跌落，造成整体结构的进一步损坏，这很大程度上是得益楼板对梁的约束作用，因此在整体分析时考虑梁与楼板的组合作用是必要的。
柱作为整体结构中的一部分时，由于受到相邻构件产生的约束作用，其力学性能与铰接柱有很大的差别，在遭受火灾时，约束作用会更为复杂[118]：1) 柱受热轴向膨胀时，轴向约束会引起轴向荷载变
工 程 力 学 245
化；2) 不同的扭转约束引起屈曲长度的变化；3) 相邻梁、板的热膨胀引起柱的弯矩变化；4) 临近构件对柱的不同约束刚度会引起柱弯矩的变化。已有的研究多集中在约束钢柱方面，王永昌(2003)[118]对火灾下约束钢柱的力学性能有了较详细的论述，此处不再赘述。目前，对于约束组合柱的研究相对较少，所见的试验报道只有 Wang 和Divies(2003)[119]进行的转动约束钢管混凝土柱耐火试验，研究发现火灾下约束钢管混凝土柱端部附近的钢管会发生局部屈曲，计算钢管的有效长度时应将屈曲部位近似认为是塑性铰，但发生屈曲的位置是不确定的，有待于进一步的理论和试验研究。
(a)
(b)
图11 某实际火灾中钢结构节点的破坏形态 Fig.11 Failure mode of steel joints in real fire
国内学者也进行了约束梁以及框架的试验和理论研究。同济大学对约束钢-混凝土组合梁的耐火
性能进行了理论和试验研究[120―
123]，研究发现：荷载比是决定约束组合梁抗火性能的重要指标；纵向温度梯度对约束组合梁的抗火性能具有较大影响，均匀温度场有利于抗火性能的提高；约束刚度对组合梁升温阶段的抵抗弯矩影响较大，而在悬链线阶段的影响相对较小。
董毓利(2007)[124]对3榀两层两跨组合钢框架在不同火灾工况下的性能进行了试验研究，钢梁和钢柱均采用H 型钢，钢梁与混凝土楼板之间采用栓钉连接形成组合梁，试验火灾工况包括：单室受火、同跨受火和底层受火。试验再次表明：由于温度和热膨胀不同，钢筋混凝土楼板对钢梁有约束作用，且在降温过程中会出现节点被拉坏现象。
作者课题组的博士生王卫华最近负责进行了8 榀组合框架的耐火极限试验，包括4榀圆形钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架、2榀圆形钢管混凝土柱-型钢混凝土梁框架和2榀方形钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁框架，钢管混凝土柱外涂厚涂型防火涂料。从试验结果来看(如图12所示)，梁底混凝土出
(a) 试验前
(b) 试验后
(c) 节点变形
钢管混
节点区
螺栓破坏
柱压弯
246 工程力学
(d) 柱脚变形
图12 组合框架破坏形态
Fig.12 Composite frame failure mode in fire
现了均匀的裂缝，使得内部钢筋或型钢在高温下形成拉力索，而节点区的混凝土和钢管混凝土柱为钢筋或型钢提供了较好的锚固，框架梁表现出一定的悬链线效应，使得柱的P-δ效应加剧，钢管局部屈曲，最终框架破坏是从柱破坏开始的；从节点的局部放大图来看节点区梁底部混凝土出现了明显裂缝，这是由于外部荷载以及降温过程中混凝土收缩共同作用的结果。
4 展望与结论
虽然国内外研究者已在组合结构耐火性能和抗火设计原理及方法方面取得了不少成果，但该领域依然有不少课题需要继续深入研究，作者认为主要包括如下一些关键问题：
(1) 尽管现在越来越趋向与对组合结构宏观的整体抗火性能进行研究，但对材料微观性能的研究是不可或缺的，更精确的理论分析要建立在对材料高温下(后)性能充分了解的基础之上。高性能、高强度钢材和混凝土的出现以及在工程中的应用日益增多，使得以前基于普通材料得到的高温下的力学性能研究结果有待于拓展。屈立军(2007)[125]对Q345钢(16Mn)高温下的力学性能进行了试验研究，采用恒温加载和恒载升温两种试验方法，共进行了600余根试件的研究，根据试验结果建立了钢材弹性模量、屈服强度、线膨胀系数、应变-温度-应力关系和临界温度等钢材材性的计算模型，是对火灾下钢材材料性能研究的重要补充。另外在全过程火灾的不同阶段，材料的性能也存在差别，以往多是对升温过程或火灾后这两个阶段的材性进行研究，而忽略了降温过程中材性的不同，特别是钢材由于经历了升温过程中较高温度的损伤后，降温到较低时其材性与直接升到该温度有很大的变化。因此有必要对结构材料全过程火灾各个阶段的材性进行系统的研究。
(2) 组合结构的力学实质在于不同材料之间的协同互补和共同工作。不同材料界面之间的粘结滑移性能是组合结构研究的关键性问题。火灾发生时，由于粘结界面受到高温的影响，粘结滑移性能与常温下有显著的不同。目前，对于高温下(后)粘结滑移的研究多集中在钢筋与混凝土之间，且多是针对早期的低强材料，而对于目前应用广泛的高强、高性能材料以及型钢与混凝土、钢管与混凝土之间粘结滑移的报道较少，对于考虑全过程火灾不同阶段影响的研究更是缺乏，这使得研究者们只能采用近似的粘结滑移模型来进行理论分析，这在一定程度上制约了精确的数值计算。为此应该更系统的对不同材料间高温下(后)的粘结滑移性能展开研究，同时应考虑全过程火灾的影响。
(3) 对于混凝土暴露在外的结构，如型钢混凝土结构等，由于火灾发生时，混凝土受热变脆，很容易发生剥落，从而造成构件截面的削弱或者内部钢材直接裸露在火焰下，加快结构的破坏。为此，在理论分析时，应考虑混凝土剥落这种因素的影响，但由于火灾下混凝土剥落发生位置的不确定性，以及剥落程度的不同，较难准确考虑这一因素；且由于相关的试验研究较少，无法通过对大量试验数据进行分析得出剥落位置和程度的统计结果，因此考虑混凝土剥落的结构耐火性能研究还需要进一步的探索。
(4) 全过程火灾试验是更加接近实际情况的火灾试验方法，可以模拟实际建筑火灾中构件或结构的时间(t)-荷载(N)-环境温度(T)路径关系，但目前尚没有见到考虑全过程火灾的研究报道，因此很有必要填补这一空白，进行组合结构构件、节点和框架全过程火灾的试验研究，并且建立全过程火灾的理论计算模型，深入了解全过程火灾下组合构件或结构的工作机理，考察其全过程火灾下的结构反应和承载力的变化规律，并在理论模型和参数分析的基础上建立计算全过程火灾下组合构件、节点和框架极限承载力的实用设计方法。
(5) 英国Cardington试验中发现部分节点破坏是由于在降温过程中钢梁收缩产生的拉应力将节点处端板或螺栓撕裂而造成的，可见结构发生火灾
时，降温过程可能会比升温过程更加不安全，已有
工程力学 247
的研究也表明，火灾下约束楼板和约束梁的拉力膜效应和悬链线效应也会对与之相连的柱产生拉力作用，使柱由于P-δ效应而压弯破坏，造成连续性倒塌。这些影响都是由于结构的整体性而产生的，而现有的抗火设计方法多是基于对标准简支或铰接构件的研究，这就使得抗火设计理论与实际情况存在不匹配的问题，有待于继续深入进行研究。
(6) 目前，对火灾下结构耐火性能的研究和有关抗火设计多是建立在标准火灾升温曲线或者一些自然火灾曲线基础之上的，即研究的是在这些特定的火场情况下结构的反应，但现实的建筑中，由于空间结构、可燃物燃烧性能、可燃物摆放位置、起火位置等各种因素的不同，使得建筑物火灾的发展和蔓延过程各有特点，很难通过某一种火灾场景来描述不同建筑中的火灾发展，而火灾场景的不同，对结构影响很大，为此很有必要来预测建筑火灾的发展过程。虚拟现实是一门融合了计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支的综合性信息技术，将其与火灾模拟的基本理论结合起来，可以较准确的预测出建筑火灾的发展和蔓延趋势。结合虚拟现实技术模拟出的火灾场景，可使结构的抗火设计更加有针对性，更能满足性能化抗火设计的要求。
(7) 本文简要介绍了国内外研究者们在组合结构构件、结构节点、框架和结构体系耐火性能方面取得的部分研究结果，探讨和展望了组合结构抗火原理研究领域需进一步开展的工作。需要指出的是，火灾下建筑结构结构耐火性能的研究成果众多。本文仅结合作者所熟悉的领域，简要论述了组合结构及其相关的一些研究新进展，论述的内容远非全面完整，撰写本文意在抛砖引玉。
组合结构是目前结构工程领域研究和应用的热点话题之一，是工程技术进步和现代施工技术向工业化生产发展的必然产物。可以预期，在新的世纪里，随着计算手段、实验能力的不断提高以及相关工程技术的不断进步，组合结构耐火性能和抗火设计原理的研究必将不断得到深入和快速发展。
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Jiang Shaofei, Li Ming, Fu Chun, Li Deqing.
Experimental studies on concrete filled square steel tube
第一章： 1耐火材料的定义；耐火度不小于1580℃的无机非金属 材料分类：按化学成份、矿物组成分类1）氧化硅质2）硅酸铝质3）氧化镁质4）刚玉质5）白云石质MgCa(CO3)2 6）尖晶石质Fe2MgO4 7）橄榄石质Mg2SiO4 8）碳质9）含锆质10）特殊耐火材料 按化学性质分类；1）酸性耐火材料2）中性耐火材料3）碱性耐火材料 3、按制造方法分类块状耐火材料;不定形耐火材料;烧制耐火材料;熔铸耐火材料。 4、按耐火度分类普通耐火材料（1580～1770℃）;高级耐火材料（1770～2000℃）;特级耐火材料（大于2000℃）。 按密度分：轻质(气孔率45%-85%)、重质 生产过程中的基本知识，如一般生产工艺流程：原料加工→配料→混练→（成型）→干燥→烧成（熔制）→（成型）→检验→成品， 配料（颗粒级配又称（粒度）级配，由不同粒度组成的物料中各级粒度所占的数量，用百分数表示。）混料使两种以上不均匀物料的成分和颗粒均匀化，促进颗粒接触和塑化的操作过程称为混练。等内容； 耐火材料行业存在的问题1）钢铁行业竞争激烈，面临更大的成本压力2洁净钢的生产对耐火材料提出更高要求，除了要求长寿还要对钢水无污染3）研发有待加强，4）应注意可持续发展战略。 存在的差距： 1、通常用耐火材料综合消耗指标来衡量一个国家的钢铁工业与耐火材料的发展水平，我国吨钢消耗水还较高。（见下表） 2、耐火材料生产装备落后，新技术推广慢 3、原料不精，高纯原料的生产有困难。， 发展趋势：当今耐火材料的发展，一极是不定形化，而另一极则是定形耐火材料的高级化，概括起来就是朝着高纯化、精密化、致密化和大型化。着重开发氧化物和非氧化物复合的耐火材料。等。 问题：1合计可用作耐火原料总数为4000余种，其中常用于工业生产的耐火原料只有100种。why? 除了考虑熔点外，还要看它在自然界中存在的数量及分布情况，即作为耐火原料还应该具有来源广，成本低廉。在地球岩石层中，硅酸盐+铝酸盐数量最大占86.5%。金属Pt的熔点为1772℃，可以用作耐火原料，但是太昂贵了 2留意“烧成”与“烧结”的区别！ 烧成是陶瓷、耐火材料制品烧成过程中最重要的物理、化学过程。所谓“烧结”，就是指坯体经过高温作用逐渐排出气孔而致密的过程。 第二章： 耐火材料的宏观结构、微观结构方面的知识， 如显微结构的类型；基质连续结构，主晶相连续结构；基质连续结构：液相数量较多或主晶相润湿性良好，主晶相被玻璃相包围起来，形成基质连续，主晶相不连续结构，如粘土砖。主晶相连续结构：液相数量较少或主晶相润湿不良，形成主晶相连续，基质不连续结构，如硅砖。 力学性能中抗折强度：材料单位面积所承受的极限弯曲应力，高温抗折强度：材料在高温下单位截面所能承受的极限弯曲应力、蠕变：材料在恒定的高温、恒定
建筑构件耐火试验炉的研制和应用 王 帆 1,2,3 ,吴 波1,2,张正先 1,2 ,林洁梅 1,2 (1.华南理工大学建筑学院,广东广州,510640; 2.亚热带建筑教育部重点实验室,广东广州 510640; 3.广东省建筑科学研究院,广东广州 510550) 摘 要:介绍了建筑构件耐火试验炉的研制思路、控制温度、压力的技术措施以及为满足构件力学试验所采用的约束条件模拟方法等。 关键词:建筑构件;耐火试验炉;温度曲线;约束条件 中图分类号:X 924.4 文献标识码:A 文章编号:1002 4956(2007)03 0055 04 Researc h and application of fire test f urnace for bu i di ng ele ments WANG Fan 1,2,3 ,WU Bo 1,2,Z HANG Zheng x ian 1,2,LI N Jie m e i 1,2 (1.A rch itecture Co llege o f South Ch i na U nivers it y of T echno l ogy ,G uangzhou 510640,China ;2.Sub trop i ca l A r ch itecture K ey L abo rato ry o f Educati on M i n i stry ,G uangzhou 510640,Ch i na ;3.G uangdong A rchitecture Science A cade m e ,G uangzhou 510500,China) Ab stract :T he paper g i ves a deta il ed illu m ina te on the research o f F ire T est Furnace fo r Buil ding E le m ents ,t he techn i ca lm easures fo r te m pe rature contro lli ng and pressure con tro lli ng ,constra i nt conditi on ,e tc .K ey w ords :buil d i ng ele m ents ; fi re test furnace ; te m perate curv e ; constra i nt conditi on 收稿日期: 2006 05 11 修改日期:2007 02 28 作者简介:王帆(1971!),男,四川省成都市人,工学博士,在 站博士后,讲师,主要研究方向:钢结构理论,结构抗火 基金项目: 985工程 一期建设经费和 十五 211工程 建 设经费资助的项目. 在地震、海啸、洪涝、干旱等各种灾害中,火灾的发生频度高居各灾种之首。近年来发生的诸多 因火而导致的结构破坏事件使得结构耐火问题受到空前的重视,这些灾难包括 911 事件、2004年2月15日吉林市中百商厦特大火灾、2003年11月3日衡阳市衡州大厦特大火灾坍塌事故、2003年2月2日哈尔滨市天潭酒店特大火灾、2000年12月25日洛阳市东都商厦特大火灾等。 在我国经济快速持续发展,建筑业占国内GDP 份额不断增长的同时,关注因火灾引起的结构毁坏,研究结构耐火性能及火灾后结构损伤评估成了刻不容缓的大事。 建筑构件耐火试验是研究结构耐火性能的重要手段,这类试验一般采用耐火试验炉进行。耐火试验炉提供一个人造的室内火灾温度场,配合以对试验构件施加的荷载及边界约束,并且在试验构件中 布置测温热电偶,可用于研究构件内部温度场的发展过程以及构件在高温下的承载能力,从而为建筑构件抗火灾设计及火灾后结构的损伤评估与修复加固提供科学依据。 建筑构件耐火试验炉的研制内容主要由以下几点组成:炉型的确定,温度和压力的控制和加载系统和数据采集系统。 1 炉型的确定 耐火试验炉的设计有两种不同的思路:一种是设计大型的多功能炉,满足各种不同类型构件的试验需要;另一种是根据不同的试验构件分别设计炉型,比如水平炉用于梁、板构件试验,柱炉用于柱式构件试验,墙炉用于墙、门、窗构件等。总体而言,炉型选择是由经济条件、技术条件和场地条件等决定的。 炉膛尺寸应能适应一般的检测和试验要求。1987年英国颁布的BS476、Part 20和1999年我国制订的?建筑构件耐火试验方法#(GB /T 9978 1999)都对耐火试验构件的尺寸提出了要求,其中BS476、Part 20还对试件受火面到炉内壁的距离作了建议,由此可以确定炉膛的尺寸。 ISSN 1002-4956 CN11-2034/T 实 验 技 术 与 管 理 Experi m entalT echnol ogy and M anage m ent 第24卷 第3期 2007年3月 Vo.l 24 N o .3 M ar .2007
解决方案编号：LX-FS-A91089 建筑结构耐火性能分析标准范本 In the daily work environment, plan the important work to be done in the future, and require the personnel to jointly abide by the corresponding procedures and code of conduct, so that the overall behavior or activity reaches the specified standard 编写：_________________________ 审批：_________________________ 时间：________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑
建筑结构耐火性能分析标准范本 使用说明：本解决方案资料适用于日常工作环境中对未来要做的重要工作进行具有统筹性，导向性的规划，并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则，使整体行为或活动达到或超越规定的标准。资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。 本节介绍了主要的建筑结构形式以及各种建筑结构耐火性能的特点、影响建筑结构耐火性能的主要因素、火灾下建筑结构及构件极限状态的定义、建筑结构耐火时间计算模型的选取方法及计算步骤、钢结构和混凝土结构的耐火时间计算方法、整体结构耐火时间计算的方法和步骤等。 一、影响建筑结构耐火性能的因素 （一）结构类型 1.钢结构 钢结构是由钢材制作结构，包括钢框架结构、钢网架结构和钢网壳结构、大跨交叉梁系结构。钢结构
高层震害现象及原因是非常重要的，了解现象以及发生的原因，才能根据专业知识制定对应 的方案，防范于未然。小编就高层钢结构震害现象及原因和大家说一下。 钢结构被认为具有卓越的抗震性能，在历次的地震中，钢结构房屋的震害要小于钢筋混凝土 结构房屋。很少发生整体破坏或倒塌现象。尽管如此，由于焊接、连接、冷加工等工艺技术 以及外部环境的影响，钢材材料的优点将受到影响。特别是因设计、施工以及维护不当，就 很可能造成结构的破坏。根据钢结构在历次地震中的破坏形态，可能破坏形式分为以下几类：1、结构倒塌 结构倒塌是地震中结构破坏最严重的形式。造成结构倒塌的主要原因是结构薄弱层的形成， 而薄弱层的形成是由于结构楼层屈服强度系数和抗变4刚度沿高度分布不均匀造成的。这就 要求在设计过程中应尽量避免上述不利因素的出现。 2、节点破坏 节点破坏是地震中发生最多的一种破坏形式。剐性连接的结构构件一般采用铆接或焊接形式 连接。如果在节点的设计和施工中，构造及焊缝存在缺陷，节点区就可能出现应力集中、受 力小均的现象，在地震中很容易出现连接破坏。梁柱节点可能出现的破坏现象主要表现为： 铆接断裂，焊接部位位脱，加劲板断型、屈曲，腹板断裂、屈曲等。 3、构件破坏 在以往所有地震中，多钢结构构件破坏的主要形式有支撑的破坏与失稳以及梁柱局部破坏两种。（1）支撑的破坏与失稳。当地震强度较大时，支撑承受反复拉压的轴向力作用，一旦 压力超出支撑的屈曲临界力时，就会出现破坏或失稳。（2）梁柱局部破坏。对于框架柱， 主要有翼缘屈曲、翼缝撕裂，甚至框架柱会出现水平裂缝或断裂破坏。对于框架梁，主要有 翼缘屈曲、腹板屈曲和开裂、扭转屈曲等破坏形态。 4、基础锚固破坏 件与基础的锚固破坏主要表现为柱脚处的地脚螺栓脱开、混凝土破碎导致锚固失效、连接板 断裂等，这种破坏形式曾发生多起，根据对上述钢结构房屋震害特征的分析可知，尽管钢结 构抗震性能较好，但在历次的地震中，也会出现不同程度的震害。究其原因，元素是和、结 构构造、施工质量、材料质量、日常维护等有关，为了预防以上震害的出现，减轻震害带来 的损失，多高层钢结构房屋抗震设计必须严格遵循有关规程进行。
硅砖的应用：是焦炉、玻璃熔窑、高炉热风炉、硅砖倒焰窑和隧道窑、有色冶炼和酸性炼钢炉及其它一些热工设备的良好筑炉材料。 粘土质耐火材料的原料 软质粘土 生产过程中通常以细粉的形式加入，起到结合剂和烧结剂的作用。苏州土和广西泥是我国优质软质粘土的代表。 硬质粘土 通常以颗粒和细粉的形式加入，前者起到配料骨架的作用，后者参与基体中高温反应，形成莫来石等高温形矿物。 结合剂 水和纸浆废液 粘土质耐火材料制品原料来源丰富，制造工艺简单，产量很大，广泛用于各种工业窑炉和工业锅炉上。如隧道窑，加热炉和热处理炉等的全部或大部分炉体，排烟系统内衬用耐火材料，其中钢铁冶金系统是粘土质耐火材料制品的大用户，用于盛钢桶，热风炉、高炉、焦炉等使用温度在1350℃以下的高温部位。 铝矾土的加热变化 a. 分解阶段（400~1200℃） b 二次莫来石化阶段（1200~1400℃或1500℃） 二次莫来石化时发生约10%的体积膨胀 c. 重结晶烧结阶段（1400~1500℃）。 ? 高铝质耐材的应用 ? 由于高铝质耐火材料制品的优良性能，因而被广泛应用于高温窑炉一些受炉气、炉 渣侵蚀，温度高承受载荷的部位。例如高铝风口、热风炉炉顶、电炉炉顶等部位。 ? 硅线石族制品具有较高的荷重软化温度、热震稳定性好、耐磨性和抗侵蚀性优良， 因此适用于钢铁、化工、玻璃、陶瓷等行业，如用作烟道、燃烧室、炉门、炉柱、炉墙及滑板等。在高炉上，为确保内衬结构的稳定性、密封性，避免碱性物的侵入和析出，或风口漏风，在出铁口、风口部位，选择内衬大块型组合砖结构的硅线石族耐火材料，延长了使用寿命。 ? 莫来石制品的抗高温蠕变、抗热震性能力远远优于包括特等高铝砖在内的其它普通 高铝砖 ，广泛应用于冶金工业的热风炉、加热炉、钢包，建材工业的玻璃窑焰顶、玻璃液流槽盖、蓄热室，机械工业的加热炉，石化工业的炭黑反应炉，耐火材料和陶瓷工业的高温烧成窑及其推板、承烧板等窑具。 刚玉耐材的原料 氧化铝 所有熔点在2000℃以上的氧化物中，氧化铝是一种最普通、最容易获 得且较为便宜的氧化物。氧化铝在自然界中的储量丰富。天然结晶的 Al 2O 3被称为刚玉，如红宝石、蓝宝石即为含Cr 2O 3或TiO 2杂质的刚玉。大 232232400~600()H O Al O H O Al O αα-?????→-℃刚玉假象＋23222322400~600222H O Al O SiO H O Al O SiO ?????? →?℃＋23223229503(2)324SiO Al O SiO Al O SiO ????→?℃＋232232 12003232Al O SiO Al O SiO ≥+????→?℃
高层建筑结构与抗震模拟试卷 一、填空题（每空1分，共20分） 1、高层建筑结构平面不规则分为、、 几种类型。 2、高层建筑基础类型有、和。 3、框架结构近似手算方法包括、、 。 4、高层建筑框架结构柱反弯点高度应考虑、 、的影响。 5、隔震又称为“主动防震”，常用的隔震形式包括、、、 。 6、对于钢筋混凝土框架和抗震墙之类的杆系构件，抗震设计的优化准则是四强四弱，包括： 、、、。 二、单项选择题（每题2分，共10分） １、高层建筑采用（）限制来保证结构满足舒适度要求。 A、层间位移 B、顶点最大位移 C、最大位移与层高比值 D、顶点最大加速度 2、高层建筑地震作用计算宜采用（）。 A、底部剪力法 B、振型分解反应谱法 C、弹性时程分析法 D、弹塑性时程分析法 3、当框架结构梁与柱线刚度之比超过（）时，反弯点计算假定满足工程设计精度要求。 A、2 B、3 C、4 D、5 4、联肢剪力墙计算宜选用（）分析方法。 A、材料力学分析法 B、连续化方法 C、壁式框架分析法 D、有限元法 5、框剪结构侧移曲线为（）。 A、弯曲型 B、剪切型 C、弯剪型 D、复合型 三、多项选择题（将正确的答案的编号填入括弧中，完全选对才得分，否则不得分，每小题4分，共20分） 1、抗震设防结构布置原则（） A、合理设置沉降缝 B、合理选择结构体系 C、足够的变形能力 D、增大自重 E、增加基础埋深 2、框架梁最不利内力组合有（） A、端区-M max，+M max，V max B、端区M max及对应N，V C、中间+M max D、中间M max及对应N，V E、端区N max及对应M，V 3、双肢和多肢剪力墙内力和位移计算中假定（） A、连梁反弯点在跨中 B、各墙肢刚度接近 C、考虑D值修正 D、墙肢应考虑轴向变形影响 E、考虑反弯点修正 4、高层建筑结构整体抗震性能取决于（） A、构件的强度和变形能力 B、结构的刚度
基于高层连体结构的抗震设计分析 高层建筑连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式，所谓连体结构是指两个塔楼或多个塔楼由设置在一定高度处的连接体（又称连廊）相连而组成的建筑物。在地震作用下由于连接体的存在使得由原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响，在地震作用下的反应远比单塔结构和无连接体的多塔结构受力复杂，会出现较强的祸联震动、扭转加大等现象，其结构的抗震性能也不如单体结构，因此连接体的设置改变了结构的动力特性。高层连体结构的特点主要有以下几点：对称性、扭转效应、连体两端的连接处理方式重点考虑滑动支座的做法，限复位装置的构造，并应提供滑动支座的预计滑移量。当采用阻尼器作为限复位装置时，也可归为弱连接方式。强化结构的抗震安全目标并提高结构的抗震功能要求，已经成为工程抗震领域亟待解决的课题。 1 工程概况 本工程位于某市繁华商业地段，地理位置十分重要，城市景观的要求很高，建筑的使用功能也要求多元化，房屋的下部三层为商城，其上有21层的塔楼，工程总建筑面积约30000平方米，24层，总高度83米，为多功能的写字间，塔楼的顶上三层为观光连廊，因此形成了大底盘双塔的连体建筑结构。自然条件和设计依据：1）基本风压：035N/km2；2）抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度为0.109，设计地震分组为第一；3）建筑抗震设防类别：丙类；4）钢筋混凝土结构的抗震等级：剪力墙二级，框架二级。与连接体相连的部分的梁柱构件为一级。 2 结构方案的确定 2.1 结构方案的确定。 高层建筑的抗震设计首先应该注重的是概念设计。一般应掌握以下原则：根据结构的层数、房屋的高度、抗震设防要求、施工技术、材料等条件来选择合理的结构形式；对抗震结构要尽可能的设置多道防线，采用具有联肢墙、壁式框架的剪力墙结构、框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构等多重抗侧力结构体系；结构的承载力、变形能力和侧向刚度要均匀连续变化，以适应地震反应的要求，结构的平面布置要力求简单、规则、对称，要避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部；构件的设计要采取有效的措施防止脆性破坏，保证结构有足够的延性。要减轻结构的自重，降低结构的地震作用。 2.2 本工程从平面形状来看，平面狭长的形状，属于抗震不利平面，从竖向来看，底下三层为大底盘，其上有二栋21层的塔楼，在塔楼的顶上三层设有连接体，因此竖向刚度不均匀，形成竖向刚度二次突变，对抗震非常不利。本工程的难点就在于要在建筑方案己经基本定性的原则下从结构方面来采取措施，尽量满足抗震的要求，尽可能的减轻地震的反应。这些措施包括结构体系的选择，剪力墙的布置，连接体的选型等，下面分别阐述。 2.3 根据本工程结构的层数、高度和使用功能要求，按照《高规》规定的房屋使用高度和高宽比要求，采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构比较适合。框架—剪力墙结构是由框架和剪力墙共同组成的结构体系，它既能为建筑提供较大的使用空间，又有较大的抗水平力刚度，适用于商场、办公、住宅等，是一种抗震性能比较好的高层建筑结构体系。框架—剪力墙的结构布置应设计成双向的抗侧力体系，剪力墙应分散均匀地布置在建筑物的周边、楼电梯间、平面形状变化处及荷载较大的部位。剪力墙贯通建筑物的全高，并沿高度逐步减薄，避免刚度突变。框架—剪力墙结构中，要有足够的剪力墙的数量，应当使剪力墙承担大部分的水平作用产生的剪力，但是剪力墙的数量也不能过多，否则，结构的刚度过大，引起的地震反应加大，对结构的抗震设计也不利，结构设计也不经济。 2.4 连接体的结构方案确定。连接体是连体结构中一个重要的组成部分。从前面的分析表明，对对称结构而言，在对称的水平力作用下，连接体的存在对结构的受力性能影响很小，
耐火材料的六大使用性能 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时所具有的性能。包括耐火度、荷重软化温度、重烧线变化、抗热震性、抗酸性、抗碱性、抗氧化性、抗水化性和抗CO侵蚀性等。 （一般）耐火度 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。 耐火度与熔点不同，熔点是结晶体的液相与固相处于平衡时的温度。绝大多数耐火材料都是多相非均质材料，无一定熔点，其开始出现液相到完全熔化是一个渐变过程。在相当宽的高温范围内，固液相并存，固如欲表征某种材料在高温下的软化和熔融的特征，只能以耐火度来度量。因此，耐火度是多相体达到某一特定软化程度的温度。 耐火度是指耐火材料在无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性质，用于表征耐火材料抵抗高温作用的性能。耐火度是判定材料能否作为耐火材料使用的依据。 国际标准化组织规定耐火度达到1500℃以上的无机非金属材料即为耐火材料。耐火度的意义与熔点不同，不能把耐火度作为耐火材料的使用温度。 （二）荷重软化温度
荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。 荷重软化温度是耐火材料在一定的重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度，是耐火材料的高温力学性质的一项重要指标，它表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用下保持稳定的能力。耐火材料高温荷重变形温度是其重要的质量指标，因为它在一定程度上表明制品在与其使用情况相仿条件下的结构强度。决定荷重软化温度的主要因素是制品的化学矿物组成，同时也与制品的生产工艺直接相关 （三）重烧线变化（高温体积稳定性） 首先应当了解耐火材料的高温体积稳定性是指其在高温下长期使用时，制品外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化率或重烧线变化率来衡量。重烧体积变化也称残余体积变形，重烧线变化也称残余线变形。 耐火制品的重烧变形量对判别制品的高温体积稳定性，保证砌体的稳定性，减少砌体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌体整体结构的破坏，都具有重要意义。 耐火材料的高温体积稳定性是指其在高温下长期使用时，制品外形体积或线度保持稳定而不发生永久变形的性能。对烧结制品，一般以制品在无重负荷作用下的重烧体积变化率或重烧线变化率来衡量。重烧体积变化也称残余体积变形，重烧线变化也称残余线变形。耐火制品的重烧变形量对判别制品的高温体积稳定性，保证砌体的稳定性，减少砌体的缝隙，提高其密封性和耐侵蚀性，避免砌体整体结构的破坏，都具有重要意义。
编号：SM-ZD-53038 建筑结构耐火性能分析Through the process agreement to achieve a unified action policy for different people, so as to coordinate action, reduce blindness, and make the work orderly. 编制：____________________ 审核：____________________ 批准：____________________ 本文档下载后可任意修改
建筑结构耐火性能分析 简介：该方案资料适用于公司或组织通过合理化地制定计划，达成上下级或不同的人员之间形成统一的行动方针，明确执行目标，工作内容，执行方式，执行进度，从而使整体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅读内容。 本节介绍了主要的建筑结构形式以及各种建筑结构耐火性能的特点、影响建筑结构耐火性能的主要因素、火灾下建筑结构及构件极限状态的定义、建筑结构耐火时间计算模型的选取方法及计算步骤、钢结构和混凝土结构的耐火时间计算方法、整体结构耐火时间计算的方法和步骤等。 一、影响建筑结构耐火性能的因素 （一）结构类型 1.钢结构 钢结构是由钢材制作结构，包括钢框架结构、钢网架结构和钢网壳结构、大跨交叉梁系结构。钢结构具有施工机械化程度高、抗震性能好等优点，但钢结构的最大缺点是耐火性能较差，需要采取涂覆钢结构防火涂料等防火措施才能耐受一定规模的火灾。在高大空间等钢结构建筑中，在进行钢结构耐火性能分析的基础上，如果火灾下钢结构周围的温度
概述 木材由于具有资源易于再生、绿色环保、保温隔热性好等优点，与可持续发展的目标相互协调，其在建筑业中的应用发展越来越受到重视。此外，随着近十年来材料技术的发展，诸如正交胶合木(cross laminated timber, 简称CLT)等新型工程木产品的诞生使得建造多高层木结构建筑成为可能。为了建筑业的可持续发展，也为了解决大城市人口密度不断增长的问题，木材不能局限于以往三层及三层以下的低矮建筑，近些年，多高层木结构建筑取得了快速发展。 基于上述背景，本文首先枚举了一批全球新建的典型多高层木结构建筑，以期通过具体建筑案例分析来洞悉当前多高层木结构建筑的发展趋势，然后总结了当前多高层木结构建筑常用的结构体系类型及存在的相关问题；基于上述在节点及结构体系两个层面的问题，对多高层木结构建筑开展了一系列试验和理论研究，揭示了部分结构体系的抗震机理；最后，概括了适用于多高层木结构建筑的抗震设计方法。 1 多高层木结构建筑发展概况 1.1 典型建筑案例介绍
自2008年建起第一幢木结构CLT高层后，世界各国纷纷响应这个理念，各地建起了一些示范建筑。最早于2009年，伦敦建成了一幢名为“Stadthaus”的9层公寓式建筑（图1）[1]，该建筑底层为混凝土剪力墙结构，上部8层的墙板、楼板、包括电梯和楼梯井道均采用CLT板建造。该工程中，绝大多数构件经工厂预制后现场拼装而成，施工周期仅9周，且施工误差仅为混凝土结构的一半。此外，施工过程绿色环保，碳排放少，所用建材本身兼有碳贮存功能。2012年，墨尔本建成了一幢名为“Forte”的10层公寓式建筑（图2）[2]，该建筑同样采用了底层混凝土框架-上部楼层CLT剪力墙的上下组合结构体系。“Forte”的施工周期约10个月，与同体积的混凝土或钢结构建筑相比，其在保温隔热方面能够节约25%的能源，且兼有抗震性能优良的特点。
浅析高层建筑结构设计的中震设计概念 发表时间：2016-06-27T14:51:54.553Z 来源：《基层建设》2016年5期作者：隆凡梅 [导读] 本文主要阐述了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。 摘要：对于普通建筑物的结构抗震设计，目前我国是以小震为设计基础，中震和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的。但是对于较重要的、超高的、超限的建筑物则需要进行中震和大震的抗震计算。本文主要阐述了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。 关键词：中震设计概念；地震影响系数；荷载 《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001 2008年版)(下简称《抗规》)中对中震设计仅在总则中提到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有给出中震设计的设计要求和判断标准。 首先我们了解一下现行《抗规》存在几个问题： 1规范未对结构存在的薄弱构件进行分析并作出专门的设计规定，仅对框架类剪切型结构适用的薄弱层作了一些规定； 2在中震作用下，规范仅提出“中震可修”的概念设计要求，没有具体的抗震设计方法； 3“中震可修”的技术经济问题：可修的标准决定工程????造价、破坏损失、震后修复费用。 随着时代的进步，现在的建筑物体型复杂，结构新颖，超高超限越来越多，因此要求对结构进行中震的设计也越来越多。 2 中震设计 2.1 为何要进行中震设计呢？ 《抗规》条文说明1.0.1条指出，对大多数结构，可只进行第一阶段设计（即小震下的弹性计算），而通过概念设计和抗震构造措施来实现“中震可修和大震不倒”的设计要求，但前提是建筑物的体型常规、合理，经验上一般能满足大中震的抗震要求。反之对于一些体型很不好的甚至超限的建筑物，在大震下的结构反应和小震完全不同，不进行相应的中震和大震计算是没法保证结构安全的。 为达到各阶段抗震要求，须对于上述体型异常、刚度变化大、超高超限等类型建筑物进行中震抗震设计，其余类型建筑物建议可按中震抗震进行验算。 2.2 中震设计的基本概念 抗震设计要达到的目标是在不同频数和强度的地震时，要求建筑物具有不同的抵抗能力。中震设计就是为了使建筑物满足该地区的基本设防烈度，即能够抵抗50年限期内可能遭遇超越概率为10％的地震烈度。 中震设计和大震设计都可称为性能设计。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，它的特点是使抗震设计从宏观性、规范指定的目标向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）可选择所需的性能目标，而不仅仅是按现行规范通过分项系数、内力调整系数、抗震构造措施等粗略、定性的手段来满足中震和大震的设防要求。针对本工程的结构特点，设定本结构的抗震性能目标。对超限结构而言，利用这些指标能更合理地判断整体结构在中震、大震作用下的性能表现，给超限设计提供可靠的判断依据。 2.3 中震设计的分类 中震设计就是结构在地震影响系数按小震的2.875倍（αmax=0.23）取值下进行验算。目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹性设计，第二种是按照中震不屈服设计。 首先明确一点，中震弹性和中震不屈服是两个完全不同的概念，两者所采用的设计方法与设防目的均不相同。中震弹性设计，设计中取消《抗规》要求的各项地震组合内力调整系数，保留材料、荷载等分项系数，对应地保留了结构的安全度和可靠度，结构仍属于弹性阶段，属正常设计。中震不屈服设计，设计中除了地震内力不作调整，同时也取消了材料、荷载等分项系数，对应地不考虑结构的安全度和可靠度，结构已经处于弹塑性阶段，属承载力极限状态设计，是一种基于性能的设计方法。由此可见，中震弹性设计接近于平常的小震弹性设计，而中震不屈服设计则与大震设计同属于基于性能的设计。 3 基本方法及应用 根据中震设计的分类，以下分别阐述中震弹性及中震不屈服的具体设计方法，介绍如何在satwe、etabs、midas等软件中实现中震设计。 3.1 中震不屈服设计 3.3.1 不同抗震烈度下的各级屈服控制 若场地安评报告提供实际的地震影响系数，则应取用所提供的多遇地震、设防烈度地震下相应的地震影响系数，屈服判别地震作用1、2 的地震影响系数可相应插值求得。 3.3.2 SAWTE计算：地震信息中抗震等级均为四级；αmax按表3取值；总信息中风荷载不参加计算；勾选地震信息中的按中震（或大震）不屈服做结构设计选项；其它设计参数的定义均同小震设计。 3.3.3 MIDAS/Gen计算：主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→定义抗震等级：四级；主菜单→荷载→反应谱分析数据→反应谱函数：定义中震反应谱，在相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表3计算所得；总信息中风荷载不参加计算；主菜单→结果→荷载组合：将各项荷载组合中的地震作用分项系数取为1.0；主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→材料分项系数：将材料分项系数取为1.0；其它同小震。 3.3.4 ETABS计算：选项→首选项→混凝土框架设计→定义抗震设计等级：四级；定义→反应谱函数→Add Chinese 2002 Spectrum→定义中震反应谱，地震影响系数最大值αmax取值，其余参数按《抗规》；静荷载工况中不定义风荷载作用；定义→荷载组合→各项荷载比例系数均取为荷载分项系数1.0x荷载组合系数φ；定义→材料属性→填写各材料的强度标准值其它同小震。 4 工程算例 4.1 示范算例 4.1.1 基本参数：二十二层框支剪力墙结构，三层楼面转换，无地下室，首、二层4.5米，标准层3.5米，总高79m。结构平面布置如图一所示。结构高宽比3.76，长宽比1.22；抗震参数，7 度，第一组，0.10g；场地II类；风荷载100年一遇为0.9kN/㎡。
建筑构件的燃烧性能和耐火极限 建筑构件主要包括建筑内的墙、柱、梁、楼板、门、窗等，一般来讲，建筑构件的耐火性能包括两部分内容，：一是构件的燃烧性能，二是构件的耐火极限。耐火建筑构配件在火灾中起着阻止火势蔓延、延长支撑时间的作用。 一、建筑构件的燃烧性能 建筑构件的燃烧性能，主要是指组成建筑构件材料的燃烧性能。而材料的燃烧性能，有些得到共识而无需进行检测，如钢材、混凝土、石膏等，但有些材料特别是一些新型建材，则需要通过试验来确定其燃烧性能。除有一些特别规定外，大部分建筑材料的燃烧性能可按GB 8624等相关标准确定（详见本章第二节“建筑材料的燃烧性能及分级”）。通常，我国把建筑构件按其燃烧性能分为三类，即不燃性、难燃性和可燃性。 1.不燃性 用不燃烧性材料做成的构件统称为不燃性构件。不燃烧材料是指在空气中受到火烧或高温作用时不起火，不微燃，不炭化的材料。如钢材、混凝土、砖、石、砌块、石膏板等。 2.难燃性 凡用难燃烧性材料做成的构件或用燃烧性材料做成而用非燃烧性材料做保护层的构件统称为难燃性构件。难燃烧性材料是指在空气中受到火烧或高温作用时难起火、难微燃、难炭化，当火源移走后燃烧或微燃立即停止的材料。如沥青混凝土、经阻燃处理后的木材、塑料、水泥、刨花板、板条抹灰墙等。 3.可燃性
凡用燃烧性材料做成的构件统称为可燃性构件。燃烧性材料是指在空气中受到火烧或高温作用时立即起火或微燃，且火源移走后仍继续燃烧或微燃的材料。如木材、竹子、刨花板、保丽板、塑料等。 为确保建筑物在受到火灾危害时，一定时间内不垮塌，并阻止、延缓火灾的蔓延，建筑构件多采用不燃烧材料或难燃材料。这些材料在受火时，不会被引燃或很难被引燃，从而降低了结构在短时间内破坏的可能性。这类材料如混凝土、粉煤灰、炉渣、陶粒、钢材、珍珠岩、石膏以及一些经过阻燃处理的有机材料等不燃或难燃材料。建筑构件的选用上，总是尽可能不增加建筑物的火灾荷载。 二、建筑构件的耐火极限 （一）耐火极限的概念 耐火极限是指建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火试验，从受到火的作用时起，到失去支持能力或完整性或失去隔火作用时止的这段时间，用小时（h）表示。其中，支持能力是指在标准耐火试验条件下，承重或非承重建筑构件在一定时间内抵抗垮塌的能力；耐火完整性是指在标准耐火试验条件下，建筑分隔构件当某一面受火时，能在一定时间内防止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力；耐火隔热性是指在标准耐火试验条件下，建筑分隔构件当某一面受火时，能在一定时间内其背火面温度不超过规定值的能力。 （二）影响耐火极限的要素 在火灾中，建筑耐火构配件起着阻止火势蔓延扩大、延长支撑时间的作用，它们的耐火性能直接决定着建筑物在火灾中的失稳和倒塌的时间。影响建筑构配件耐火性能的因素较多，主要有：材料本身的
石膏砌块耐火性能研究 一、理论分析 石膏砌块是以建筑石膏为主要原料，经加水搅拌、浇注成型和干燥而制成的块状轻质建筑石膏制品。具有隔声防火、施工便捷等多项优点，是一种低碳环保、健康、符合时代发展要求的新型墙体材料[1]。 二水石膏具有在不同的煅烧温度下产生不同的煅烧产物的特性。当加热温度达到65℃时，二水石膏就开始释出结构水，但脱水速度比较慢。在107℃左右、水蒸气压达971mmHg 时，脱水速度迅速变快。随着温度继续升高，脱水更为加快，在l 70-l90℃时，二水石膏以很快的速度脱水变为α-半水石膏或β-半水石膏。当温度继续升高到220℃和320～360℃时，半水石膏则继续脱水变为α可溶性的无水石膏。但220℃条件下生成的无水百膏比较容易在空气中吸水变成半水石膏。在450-700℃期间变成的无水石膏则为不溶性无水石膏。这种无水石膏即我们通常说的“死烧”石膏；它很难溶于水，几乎不凝结，而且不具有强度。[2]继续加热至800℃时，无水石膏开始分解为CaO 和SO 2 加O 2 等，这时的凝结能力主要是靠CaO 的凝结作用而不是石膏了。这种分解在1050℃以后更为激烈，到1350℃才结束。在还原气氛下，有利于CaSO 4 的分解。 当石膏砌块遇火时，随着温度的升高，二水石膏分子结构中的结晶水开始脱去，其分子结构发生变化，变化状态依次是CaSO 4·2H 2O →CaSO 4·1/2H 2O →CaSO 4Ⅲ（可溶性无水膏）→CaSO 4Ⅱ（慢溶性无水膏）[2]。 CaSO 4·2H 2O 107170-???? →℃ CaSO 4·1/2H 2O+3/2 H 2O CaSO 4·1/2H 2O 170-300???? →℃CaSO 4Ⅲ+1/2 H 2O CaSO 4Ⅲ 300-1000????→℃CaSO4Ⅱ 二、实验安排 1、实验准备 实验原料：600×500×100 实心砌块（30片）、粘结砂浆（1袋，40kg/袋） 实验器具：不锈钢抹灰刀、刮刀、手工锯子（1把）、橡胶锤、水平标定仪、封包线若干等。 2、实验墙砌筑要求 A 、在活动架子的中轴面上垒砌出3×3m 2墙面。 B 、要求粘结处砂浆务必饱满充盈，且平整美观。 C 、石膏墙面周边与活动架子之间缝隙，使用耐火石棉封堵，应使密封完好。
浅谈高层钢结构抗震措施 【摘要】随着城市建设的发展，钢结构在高层建筑中的应用越来越广泛，因为高层钢结构抗震性能卓越，材料强度、延性良好，施工便利，便于回收，能够可持续利用，空间使用率高、有效节省土地以及节能、降耗等特点。本文主要从高层钢结构的抗震性能及措施进行探讨。 【关键词】高层建筑钢结构抗震 【 abstract 】 with the development of urban construction, steel structures in high-rise building more and more wide application, for high-rise steel structure seismic performance is remarkable, material strength and ductility is good, construction is convenient, easy recycling, able to sustainable use, the space utilization rate is high, effectively save the land and energy saving, consumption reduction etc. characteristics. this article mainly from the high-rise steel structure seismic performance and measures are discussed. 【 key words 】 high-rise； steel structure； seismic 中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a文章编号： 前言 我国地处地震带附近，地质灾害影响特别大，而地震对不同的结构产生着不同的影响，不同的结构在地震中的破坏程度和形式也
剪力墙结构抗震性能研究综述Research Review on Seismic Behavior of Shear Wall Structure 姓名：刘季 班级：土建研1303 学号：1049721302417 指导老师：陈波
剪力墙结构抗震性能研究综述 刘季 （武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉 430070） 摘要：随着经济和社会的发展，高层建筑逐渐成为现代城市建筑的发展趋势。20世纪60年代开始出现的剪力墙结构，由于其抗侧刚度大，能有效地减小侧移，且具有较好的抗震性能，使其成为现代高层建筑中广泛应用的一种结构体系。尤其是其抗震方面的性能，得到了大量的关注和研究。本文对剪力墙结构的特点、发展过程与现状进行了简单的介绍，并重点阐述了目前国内外对组合剪力墙和剪力墙体系在抗震性能方面的研究状况与进展，阐述了剪力墙结构抗震性能的研究方法。 关键词：剪力墙结构；抗震性能；组合剪力墙 Research Review on Seismic Behavior of Shear Wall Structure Liu ji (College of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology Wuhan, Hubei 430070) Abstract: With the development of economy and society,high-rise buildings is becoming the trend of modern urban architecture. Because of its large lateral stiffness, shear wall structure can effectively reduce the lateral and has better seismic performance,which makes it widely used in high-rise buildings.Especially in terms of the seismic performance,it gets a lot of attention and research.The paper briefly introduces the characteristics, development process and research status of shear wall structure.It mianly introduces the research and progress on composite shear wall and shear walls system in terms of seismic performance,and introduces the research methods of shear wall structure. Key words: shear wall structure; seismic behavior;composite shear wall 钢筋混凝土高层建筑通常由梁、柱、楼板和剪力墙以及筒体构成，剪力墙和由剪力墙组成的筒体是高层建筑抗震的核心抗侧力部件，其抗震性能对于高层建筑的安全可靠有着至关重要的作用。研制抗震性能好的剪力墙和合理布置剪力墙体系是高层建筑抗震设计的关键技术。 随着社会经济的发展，建筑用地日益减少，社会对高层建筑的需求越来越大。随着高层建筑数量的增加和建筑形式的多样化，国内外对剪力墙及剪力墙体系的抗震性能的研究也越来越多。出现了各种形式的剪力墙以及多种多样的剪力墙体系。剪力墙结构之所以能在近几十年迅猛发展，是因为其在承载力和抗震性能方面的优越性。国内外都针对此性能进行了大量的试验和研究，目前研究已比较系统，并颁布了相应的技术规程。 1剪力墙的特点和分类 剪力墙是一种能较好的抵抗水平荷载的墙。我国《建筑抗震设计规范》)将其称为抗震墙。剪力墙结构室内墙面平整，具有抗侧刚度大，侧移小；结构自重大，吸收地震能量大的特点，但是施工较麻烦，造价较高。通常按其墙肢截面高度与厚度的比值分为一般剪力墙、短肢剪力墙和异型柱。般剪力墙就是指墙肢截面高度与厚度之比大于8的剪力墙。相对于其他2种形式它的墙肢宽度较大，在水平荷载作用下通常抗剪刚度起控制作用，故其耗能较差。短肢剪力墙是指墙肢截面高度和厚度之比为5~8的剪力墙，通常墙厚不小于200mm。肢长在1000~2500mm之间，它介乎异型柱和一般剪力墙之间。当短肢剪力墙的墙肢再进一步减小截面高度，就形成了小墙肢剪力墙，这时其力学性