论文摘要

 

施工技术:目前,钢-混凝土组合结构在我国高层与超高层建筑中得到了广泛应用,高耸结构的抗火问题一直是业内人士关注的焦点,请您谈谈我国钢-混凝土组合结构抗火研究现状。

王文达:钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上形成的一种新型组合结构形式,具有承载力高、抗震性能好、装配化程度高、耐火性好等优点,已广泛应用于我国高层与超高层建筑中。根据其截面形式不同,组合结构分为型钢混凝土结构(SRC)和钢管混凝土结构(CFST),截面形式如图1所示。

随着组合结构的广泛应用,其在全寿命周期内可能遭受意外荷载的概率增大,火灾是其中之一。超高层建筑一旦发生火灾,后果不堪设想,如美国世贸大厦由于飞机撞击起火,造成整个建筑结构坍塌。我国央视大楼北配楼主体结构采用型钢混凝土结构,由于大楼尚未完全竣工,楼内消防设施、自动报警和灭火设备还没有启用,火灾造成了严重的财产损失。因此,业内人士越来越关注钢-混凝土组合结构的抗火性能研究,我主要从钢管混凝土结构抗火方面浅谈其研究现状。

火灾下的性能与耐火极限。火灾作用下,钢管混凝土柱的核心混凝土可吸收外围钢管传来的热量,使其外包钢管升温滞后,有效降低钢管承载力的损失,而钢管也可以保护混凝土不发生“爆裂”现象。各国学者采用理论与试验相结合的方法对钢管混凝土构件的耐火极限进行研究,研究参数包括构件截面形式、荷载大小、混凝土骨料类型、构件有效计算长度、截面尺寸、混凝土类型及强度等。试验时,构件轴压比都比较小,一般0.4。研究结果表明,采用耐火钢材的钢管混凝土柱的耐火极限和抗变形能力均有所提高,且荷载偏心对火灾时构件工作不利。此外,在钢管中填充钢纤维混凝土可有效提高构件耐火极限。一些研究学者采用有限元法和纤维模型法分别计算构件温度场分布和耐火极限,提出了简化计算公式,也有学者开展不锈钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土柱耐火极限研究。总体来说,过去国内外学者在钢管混凝土工作机理和力学性能研究方面已取得一系列重要成果,但研究工作有待进一步系统化和深入化。

火灾后的加固修复与评估。经历火灾(高温)作用后,结构构件中钢材与混凝土的材料力学性能发生劣化。对于钢管混凝土柱,火灾后构件的强度和刚度都会发生不同程度降低,因此有必要对其进行评估,乃至修复加固。与钢筋混凝土柱不同,由于外部钢管的包裹作用,钢管混凝土柱中的混凝土不会出现“爆裂”和剥落现象。过火后钢管混凝土柱的修复加固一般采用在其外包裹钢管或混凝土,即“增大截面加固法”。

施工技术:钢-混凝土组合结构有着良好的耐火性能,但也存在一些问题,您认为在哪些领域需要展开进一步深入研究?

王文达:国内外学者虽然已在钢-混凝土组合结构抗火性能方面进行了研究,并取得了一定成果,但依然有以下几个方面需要完善。

高温对材料及界面等力学性能的影响。火灾下结构的数值模拟被广泛应用,合理确定高温对材料及不同材料之间界面等性能的影响,是准确进行组合结构抗火性能研究的基础,主要包括:①高温对材料特性的影响;②高温作业对钢-混凝土界面性能的影响;③对混凝土“爆裂”的影响。

荷载作用“全过程”与结构受力“全过程”分析。结构的荷载作用“全过程”是指在服役阶段会承受:①正常使用阶段的荷载;②火灾作用时的非常规荷载;③火灾荷载去除后结构继续承受的荷载。结构受力“全过程”主要指:①正常使用阶段的结构应力;②火灾作用下结构的受力与变形;③火灾去除后或出现局部破坏后结构的应力与变形。

组合结构节点耐火性能。试验研究表明,框架结构节点破坏极易产生结构薄弱层,导致楼板下塌,进而影响柱的侧向曲屈,造成结构整体倒塌。

组合结构体系耐火性能。火灾作用下,不仅结构材料会发生劣化,而且结构构件的温度变化还会导致结构内力重分布。因此,与构件或节点研究相比,深入研究框架结构的耐火性能和抗火能力对结构抗火设计具有更加重要的意义。

火灾与其他灾害耦合效应。随着我国建筑业的快速发展,城镇超规模复合型建筑日益增多,一旦发生非常规突发灾害(爆炸、火灾、强烈地震等),将导致巨大的生命、财产损失,造成不良社会影响。因此,研究其在典型非常规突发灾害(爆炸、火灾、强烈地震等)单独或同时作用下的抗连续倒塌应用技术和综合防灾减灾能力评价技术具有重要意义。

既有组合结构抗火能力评估和灾后修复加固技术。既有建筑往往存在防火保护层脱落、混凝土保护层脱落、结构布局改变、火灾荷载改变等问题。随着年限增加,建筑结构承载力降低。因此,有必要对既有建筑的防火保护措施、火灾荷载分布、结构承载力现状进行调查,对既有建筑火灾风险进行评估,并研究既有建筑结构火灾下的耐火极限、承载力和倒塌破坏规律。

施工技术:近年来,您带领团队一直致力于组合结构耐火及抗火性能研究,请您介绍一下主要研究方向及所取得的成果。

王文达:我从2008年开始进行组合结构的抗火研究,那时我还在清华大学做博士后,合作导师为韩林海教授。同年,申请并获得中国博士后基金资助,进行火灾后钢管混凝土柱-钢梁平面框架的力学性能研究。回想起来,进行组合结构的抗火研究已近10年,主要研究方向有以下几个方面。

开展考虑火灾全过程的钢管混凝土结构抗火性能研究。以往由于试验条件等限制,主要研究高温下结构的耐火性能和高温后结构的抗火性能,很少考虑火灾降温全过程的研究。从英国Cardington试验发现,许多节点破坏发生在降温过程中。因此,团队于2009年申请并获批教育部科学技术研究重点项目资助,致力于考虑火灾全过程的钢管混凝土组合结构研究,研究路线如图2所示,主要考虑常温加载、恒载升温、降温和火灾后等4个受火阶段。此外,在有限元数值模拟方面,基于ABAQUS用户子程序开发平台UEXPAN和USDFLD,开发了考虑钢材高温蠕变和混凝土高温徐变以及瞬态热应变影响的计算子程序,自动识别不同受火阶段热力本构模型的计算程序,进行不同火灾工况下钢管混凝土结构的耐火性能和受火全过程机理分析。

开展新型钢管混凝土构件抗火性能及设计方法研究。作为高层与超高层建筑中的主要竖向承重构件,钢管内填充素混凝土无法满足承载力要求,通常设置一定的加劲板或型钢来满足设计要求。基于上述背景,团队于2014年申报并获批国家自然科学基金项目——全过程及非均匀受火下内配型钢的钢管混凝土构件抗火性能,主要以研究内部配置型钢的钢管混凝土组合构件在考虑升降温全过程火灾及非均匀火灾作用下的工作机理和设计方法为目标,进行各典型受火工况下该类组合构件的试验研究,细致分析和测试构件受火及受力全过程中内部型钢、核心混凝土及外钢管三者之间的受力特性,明晰其工作机理(见图3)。建立基于三维弹塑性理论的有限元数值模型对试验试件进行模拟,用试验数据来校验数值模型,进一步对该类构件的受火性能及受力特性进行微观分析,细致剖析其在各种受火及荷载工况下的变形特征和典型的破坏形式。基于前述数值模型,进行工程常用参数范围内此类组合构件在各种典型火灾及荷载工况下力学性能的参数分析,提供内配型钢的钢管混凝土构件的各种火灾工况下的抗火设计方法,为此类结构抗火设计和工程应用提供参考,进一步完善内配型钢的钢管混凝土组合构件的设计理论。

开展局部火灾作用下钢管混凝土结构体系抗连续倒塌性能研究。“9.11”事件后,业内人士开始关注并进行建筑结构由于火灾引起的倒塌研究,研究对象主要以钢结构和混凝土为主。因此,团队于2013年申报并获批国家自然科学基金项目——局部火灾下钢管混凝土组合框架连续倒塌机理与设防对策。具体研究成果如图4,5所示。

施工技术:2017年10月,第9届全国结构抗火会议在兰州召开,300余名抗火专家相聚兰州,进行了抗火学术交流。结合本次会议的交流情况,谈谈您对超高层建筑整体抗火和消防设计的想法和建议。

王文达:我们作为第9届全国抗火会议的承办方,有机会为我国建筑结构抗火事业做点事情十分荣幸。本次会议内容涵盖了结构抗火相关设计规范、混凝土结构抗火、钢结构和组合结构抗火等领域。值得高兴的是,越来越多的学者关注高层与超高层建筑结构的抗火和消防问题,中华人民共和国公安部消防局办公室已经发布关于征求《建筑高度大于250米民用建筑加强性防火技术要求》意见的通知,可以看出,我国相关部门已经越来越重视超高层建筑整体的抗火和消防设计。超高层建筑的整体消防设计主要包括:人员安全疏散设计、结构抗火本质安全、消防扑救与救援、火灾探测报警与控制、早期控制与灭火装置、火场排烟设计等多个复杂的设计,如图6所示。

为防止建筑结构,尤其是超高层建筑结构在火灾下的坍塌或连续倒塌破坏,在消防体系设计中,我认为,要做好超高层建筑消防的3道防线:①主动消防——喷淋、探测、报警;②被动消防——防火分隔、疏散;③结构安全——底线。除消防设计之外,还要保证建筑结构承重构件的耐火等级满足要求,目前我国抗火规范要求,竖向承重柱耐火极限为3h,梁2h,楼板1.5h。关于征求《建筑高度大于250米民用建筑加强性防火技术要求》意见的通知中,建议提高耐火极限,竖向承重柱4h 、梁3h、楼板2.5h,保证火灾作用下超高层建筑承重构件的耐火要求,防止整个结构在火灾作用下的局部和整体倒塌,留出足够的逃生时间,最大限度降低人员生命和财产的损失。

文/特约记者王景玄

 

 

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