钢管混凝土柱防火保护层厚度实用计算方法研究

活力2017·7引言混凝土作为传统的建筑材料，它具有很多的优势，比如抗压强度大、耐高温、耐腐蚀、制备简单方便，当然也同样具有很多明显的劣势，比如抗拉强度差，过于笨重等。钢管混凝土柱是混凝土与钢材的一种组合方式，两种材料取长补短，充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到优化组合的作用效果。钢管混凝土结构由于具有承载力高、塑性韧性好、施工速度快、综合效益好等工程特点，因而在高层、超高层建筑中的应用越来越普遍。然而，在火灾作用下材料的力学性能有相当大的下降，承载力也随之下降。1.试验概况1.1试件设计火灾试验的试件共有2个钢管混凝土柱Z1、Z2。采用C40商品混凝土，PO42.5R水泥，粒径10mm～20mm的硅质粗骨料，中砂，掺加XTR-B外加剂，试验时混凝土立方体抗压强度为38MPa；钢管外径为219mm，壁厚4mm的钢管，钢材屈服强度为280MPa，极限强度390MPa。在试件两端的各留４个直径20mm左右的排气孔，用于受火后混凝土内部的水汽排出。1.2试验装置及试验方法室内火灾的发展一般可分为火灾的初期增长、充分发展和衰减熄灭三个阶段。火灾充分发展阶段升温速率快、温度高，对结构破坏严重。为了近似模拟快速升温阶段，采用燃油火灾试验炉通过喷嘴将轻柴油雾化，点燃后在炉体内产生高温。炉内升温由直径为3mm的N型热电偶测量。火灾试验中试件由油压千斤顶施加1600KN轴向压力，并通过高压油泵来控制和调整施加荷载的大小。试件上端部伸出炉盖，防止高温使千斤顶失效。试件下端部用砂子进行维护，防止支座温度过高，因此试件的实际受火高度约为2800mm左右。试件轴向变形由量程为±200mm的2个差动式位移传感器测量，位移传感器放置在柱顶千斤顶的四周。试件表面和核心混凝土内部的温度由直径为0.5mm的Ｋ型热电偶测量。位移计和热电偶测得的数据均由HP数据采集仪自动采集并存储。2.高温条件下混凝土的热运动混凝土在加热过程中的形变受以下四种条件的影响,即:热应变，瞬时压力相关应变,瞬变应变和蠕变应变。因此,由负载引起的应变是以下三种条件的总和。热应变代表因为温度变化而引起的长度变化；它仅是以温度为变量的函数，主要受到骨料的类型的影响。热应变通常是在无其他应力作用的高温下对试件进行测量的。在一定的温度下，由于外部荷载的加载导致混凝土在高温条件下发生顺势压力应变（等于瞬时荷载引起的应变）。通常的试验方式是在一个给定的温度场下对试件进行加热，然后再通过简单的单方向受压的方式进行实验。瞬变也是由荷载加载过程引发的应变，似乎跟水泥浆性能有很大关系。比如，它可以通过增加的聚集体的数量而降低。混凝土构件的瞬变在加热过程中起着非常重要的作用，因为其对由负载引起的应变具有最主要的影响。在高温下的蠕变与在室温下的蠕变具有相同的基本特征，但其比室温下的具有更高的价值，因为高温下的蠕变对温度和水在混凝土构件中的毛细管和微凝胶孔之间的扩散所产生的黏结键的比率。而具体的测量方式是通过在一个既定的恒温恒压的条件条件下的构件的受压试验中进行测定。根据实验的结果，利用叠加原理，可以提出相应的假设。总应变可以表述为：混凝土试件的瞬变和蠕变伴随产生的由负荷引起的应变显著增加，从而使混凝土表观强度降低。正如已经提到的，这种影响既有优点（由于热应力的松弛，热膨胀的限制程度降低）又有缺点（二阶效应的影响更大）。无论是前者还是后者都不能起到预测的作用，因为这个问题涉及很多不确定因素，如几何尺寸、结构布置、边界约束条件等。在标准火灾的试验中，构件的受火时长已经得到了一个普遍的共识，但是，相比于瞬变在试验中的影响，蠕变没有这么重要，经常被忽略或者集中到瞬变的计算中去。3.构件对钢管混凝土柱耐火极限的影响3.1钢管壁厚对钢管混凝土柱耐火极限的影响在常温下，钢管壁厚对钢管混凝土柱的受力性能起到至关重要的作用。但是在受火条件下，由于钢管裸露，温度迅速升高，强度损失严重，因此钢管壁的厚度对耐火极限的影响不大。当结构钢的温度在400℃以上时其强度迅速降低，当温度达到600℃时，其强度降低为常温下的1/2；700℃时降为常温下的1/4；800℃时降为常温下的1/10；900℃以上时其强度基本完全丧失。钢管在强度降低以后，不但其轴向的承载能力降低，而且其对核心混凝土的约束能力也显著降低.同时由于高温下钢管与内核混凝土热膨胀变形的差异，也导致了钢管与内核混凝土之间的组合作用迅速降低。在受火60min以后，钢管的温度已经达到800℃以上，此时钢管已经基本上退出工作了。3.2配筋对钢管混凝土柱耐火极限的影响试验表明，配筋对提高钢管混凝土柱的抗火性能的作用主要体现：钢筋埋置在内核混凝土中，有一定厚度的保护层，因此升温较慢，纵筋的强度降低较小，所以对火灾下钢管混凝土柱的承载力。3.3砂浆保护层对钢管混凝土柱耐火极限的影响常温下，钢管的“套箍”作用对钢管混凝土柱的受力性能起到至关重要的作用。火灾下，钢材的温度在400℃以上时其强度迅速降低，当温度达到600℃时其强度约降低为常温下的1/2。钢管强度降低以后，不但其纵向的承载能力降低，而且对核心混凝土的约束能力也显著降低，同时由于高温下钢管与核心混凝土热膨胀变形的差异，导致钢管与核心混凝土之间的组合作用迅速降低，因此钢管对钢管混凝土柱承载能力的贡献随着温度的提高而迅速降低。4.结论砂浆保护层在火灾中没有出现剥落现象，所以砂浆的存在可以提高钢管混凝土柱的耐火极限；火灾下，钢管强度降低，不但其纵向的承载能力降低，而且对核心混凝土的约束能力也显著降低，因此受火后钢管对钢管混凝土柱承载能力的贡献随着钢材温度提高而迅速降低；第一次受火不是很严重的情况下，钢管混凝土柱在第二次受火时，其耐火极限有显著的降低。□（编辑/穆杨）钢管混凝土柱的抗火性能实验方式及结果分析

钢筋混凝土柱抗火性能计算方法

近年来越来越多的公共建筑与住宅建筑受到火灾的威胁，且都伴随着生命伤亡，火灾后结构的安全性和耐久性备受关注。火灾过程中建筑结构会逐渐丧失承载力而发生破坏，甚至有坍塌的情况发生。钢筋混凝土结构作为最常见的结构形式之一，如何系统、准确地评估其结构构件的灾后力学性能，具有指导性的意义。本文简要介绍了钢筋混凝土柱火灾后的力学性能评估方法。

1 钢筋混凝土柱整体抗火分析思路

考虑火灾全过程，对火灾后构件力学性能和加固措施进行评估，对开展有关评估工作的基本过程和思路简述如下：

1）确认需评估的钢筋混凝土柱

根据火灾现场调查，将各类需要评估的钢筋混凝土柱分类制表。

2）确定火灾荷载

根据火灾现场调查结果，采用经验参数模型获得作用在钢筋混凝土柱上的温度—时间曲线。

3）确定作用在钢筋混凝土柱上的力

由于确定作用在结构上的荷载组合和荷载效应（内力）是评估的前提条件，本次评估中荷载参数为结构自重及施工活荷载。

4）确定钢筋混凝土柱的边界条件和初始条件

整体结构中的构件受相邻构件的约束作用，将构件隔离单独进行研究需带相应的边界条件。初始条件包括构件的初始缺陷（如初偏心、初应力等）、初挠度和支座处的初位移等。

5）对受火后钢筋混凝土柱的承载能力进行评估

当计算对象、作用在研究对象上的火灾荷载和外力以及研究对象的边界条件和初始条件确定后，即可对钢筋混凝土柱进行评估。计算分析的内容包括如下两部分：

①温度场分析 建立构件的温度场分析模型，获得构件截面的温度场分布；基于截面经历的历史最高温度，采用简化模型，获得截面混凝土火灾后等效抗压强度。

②力和温度耦合的全过程计算分析

建立构件在力和温度作用下的全过程分析模型，获得火灾发生时荷载工况下构件的剩余承载力和变形，及其与火灾前相比的损失率。

6）对加固后的构件的承载能力进行评估

基于第5）条的火灾后钢筋混凝土柱力学性能评估，对构件加固后的承载能力进行评估。在力和火灾共同作用后，构件内存在残余内力和变形，同时受火灾影响后材料力学性能与火灾前的常温状态不同，其火灾后的力学性能与曾经历的最高温度相关。以上都是结构进行加固评估的初始条件。

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钢管混凝土柱抗火分析方法及防火措施

作者：郑永乾 周继忠 蔡雪峰

来源：《海峡科学》2010年第10期

[摘要]钢管混凝土柱耐火性能和防火措施已受到了人们的关注,以往的研究中大多先求出温度场,然后根据温度结果进行火灾下受力性能的计算分析。温度场的分析可采用自编有限元程序和通用有限元软件,结构受力性能分析可采用纤维模型法、分段积分法和有限元方法。该文简要介绍了上述方法及其特点,并对钢管混凝土柱的防火措施进行了探讨。

[关键词]钢管混凝土柱抗火分析防火措施

钢管混凝土柱在工程中的应用日益广泛,其耐火性能和防火措施问题受到了人们的关注。在火灾作用下,钢管混凝土柱构件截面会形成不均匀的温度场,同时材料性能在高温下会不断恶化,其温度效应和结构效应是同时存在的。因此热力耦合分析是比较接近实际的方法,但是处理难度较大。在一般情况下,结构构件的温度分布主要受到外界火焰温度、材料热工性能、构件形状和尺寸等的影响,而结构内力状态和变形等的影响非常小[1],因此可以先求出构件温度场,然后将温度场结果用于受力性能的计算,这在以往的理论研究中采用较多,例如韩林海[2]、Lie和Denham[3]、郑永乾[4]、王卫华[5]等。

纤维模型法、分段积分法和有限元法在常温下钢管混凝土构件的分析中已得到较为广泛的应用,通过考虑热工参数和力-热本构关系等,可以将上述方法用于高温分析中。作者通过在以往福州大学组合结构课题组中的学习研究以及现在的探索,对上述分析方法及其特点进行了介绍,并对钢管混凝土柱的防火措施进行了探讨,以期为有关理论研究和工程实践提供参考。

1温度场分析方法

1.1 自编截面温度场有限元程序

钢管混凝土构件在四面受火时可近似地认为温度沿着构件长度方向不变化,因此可简化为沿截面的二维温度场问题。根据孔祥谦[6]描述的方法编制了分析钢管混凝土构件在高温下截面温度场的非线性有限元程序。材料热工参数暂取用Lie和Denham[3]建议的钢材和混凝土热工参数表达式,并考虑了混凝土中水分的影响,对混凝土热工参数进行了修正[7]。在受火面同时存在着对流和辐射两种换热,采用第三类边界条件求解,对流传热系数取25W/m2K;综合辐射系数取0.5[8]。计算时暂不考虑钢材与混凝土之间的接触热阻,假设完全传热,截面划分采用三角形单元。采用上述方法编制了计算火灾下构件截面温度场的MATLAB程序,该程序适用性强,计算速度快,改变截面等重要参数亦能迅速得到温度结果,程序计算结果可在后文纤维模型法和分段积分法计算耐火极限中采用。 龙源期刊网

长柱应对火灾冲击的钢筋混凝土柱防火措施研究

钢筋混凝土结构在现代建筑中得到广泛应用，其性能稳定、结构强度高等特点使其成为建筑行业的首选材料之一。然而，火灾是一种严重的自然灾害，不仅会造成人员伤亡和财产损失，还可能引发建筑结构的倒塌。在火灾冲击下，钢筋混凝土柱作为建筑结构的承重元件之一，其防火措施变得尤为重要。本文将研究长柱应对火灾冲击的钢筋混凝土柱防火措施，并探讨其有效性及改进方法。

一、钢筋混凝土柱的防火措施

1. 防火涂层：防火涂层是一种常见的钢筋混凝土柱防火措施。涂层的厚度和材料的选取对阻止火势蔓延和保护柱体有重要影响。常用的防火涂层材料包括耐火砂浆、耐火涂料、耐火板等。涂层应符合国家标准要求，且应定期检查和维修，以保持其有效性。

2. 隔热材料：优选隔热材料可以有效减少火灾对钢筋混凝土柱的热辐射和热传导。常见的隔热材料包括矿棉、石膏板、气凝胶等。

3. 钢板外包：在钢筋混凝土柱外部添加钢板是一种有效的防火措施。这种方式可以有效增加柱体的承载能力，抑制火势蔓延，并提高整体结构的耐火性能。

4. 管道隔离：火灾中，管道的燃烧也会对柱体产生严重影响。因此，在设计建造中，应将电缆、水管等管道与柱体进行隔离，以防止火势延伸。

二、长柱应对火灾防火措施的有效性

针对长柱应对火灾冲击的钢筋混凝土柱防火措施，经过实际应用和科学研究，其有效性得到了充分验证。 1. 防火涂层的有效性：经过实验测试，合理选用符合标准的防火涂层可以在一定时间内保护长柱。防火涂层的厚度越大，能有效防止火势对柱体的侵蚀。

2. 隔热材料的有效性：隔热材料的使用可以减少火灾对长柱的热辐射和热传导，有效延缓钢筋混凝土柱的温度上升速度。科学合理的隔热材料选择和施工工艺可以提高柱体的耐火性能。

3. 钢板外包的有效性：在长柱表面添加钢板可以增强柱体的承载能力和抗火能力，一定程度上延缓火势蔓延。获得抗火性能良好的钢板，结合优良的施工工艺，对长柱的防火效果更佳。