8 组合结构抗火验算

8.1 钢管混凝土柱

8.1.1~8.1.4 当钢管混凝土柱用于高层建筑或工业厂房等结构中时,对其进行合理的抗火设计是非常重要和必要的。在英国、德国、加拿大、韩国、卢森堡和澳大利亚等国家,从60年代开始,研究者们对钢管混凝土柱在火灾下的力学性能进行了大量理论分析和试验研究,例如,Klingsch(1985,1991),Hass(1991);Q'Meagher等(1991),Falke(1992),Lie和Stringer(1994),Lie和Chabot(1992),Lie和Denham(1993),Lie和Caron(1988),Lie (1994),Okada等(1991),Kim等(2000),Wang(1999),Kodur(1999),Kodur和Sultan等(2000)等。考虑到劳动力较为昂贵等因素,一些发达国家常采用在核心混凝土中配置专门考虑抗火的钢筋或钢纤维,或通过降低作用在柱子上的荷载以使构件达到所要求的耐火极限。
    我国主要采用在钢管中填充素混凝土的钢管混凝土。由于进行钢管混凝土柱耐火极限试验研究的费用昂贵,以往在这方面的研究工作相对较少,目前尚未制定该类结构抗火设计的规定,这不但制约了该类结构的推广,而且对已建成结构的耐火极限也缺乏必要的科学依据。在已建成的结构中,有的按照钢筋混凝土的要求外包以混凝土,有的则按钢结构的要求涂以防火涂料。这样做虽然也可保证防火要求和结构的安全性,但是大都偏于保守而造成浪费,且缺乏科学性和统一性。因此,深入研究钢管混凝土柱的耐火性能,合理确定其抗火设计方法,具有十分迫切的理论意义和实用价值。
    近年来,国内学者对钢管混凝土柱的耐火极限和抗火设计方法进行了较系统的理论分析和试验研究,共进行了14根圆形截面柱(参见:①钟善桐著,高层钢管混凝土结构,黑龙江科学技术出版社,1999.②韩林海著.钢管混凝土结构-理论与实践.科学出版社,2004.③Han Lin-Hai,Zhao Xiao-Ling,Yang You-Fu and Feng Jiu-Bin.Experimental Study and Calculation of Fire Resistance of Concrete-Filled Hollow Steel Columns.Journal of Structural Engineering,ASCE,2003,129(3):346-356.)和11根矩形截面柱(参见:①韩林海著.钢管混凝土结构-理论与实践.科学出版社,2004.②Han Lin-Hai,Yang You-Fu and Xu,Lei.An Experimental Study and Calculations on the Fire Resistance of Concrete-Filled SHS and RHS Columns.Journal of Constructional Steel Research,2003.59(4):427-452.)耐火极限的试验研究,较为系统地研究了构件长细比、截面尺寸、材料强度、荷载偏心率以及保护层厚度等参数对耐火极限的影响。这些研究成果首先于1999年在我国76层、291.6m高的广东深圳赛格广场大厦圆形截面钢管混凝土柱防火保护设计中应用。与按钢结构设计方法相比,该工程取得了节省约4/5防火涂料用量的经济效益。后来又在浙江杭州瑞丰国际商务大厦和湖北武汉国际证券大厦矩形截面钢管混凝土柱防火保护设计中应用。
    研究结果表明,耐火极限、截面尺寸、长细比和火灾荷载比是影响钢管混凝土柱防火保护层厚度的主要参数,其他参数的影响较小。基于试验研究成果及数值计算结果,提出了按ISO-834或GB/T 9978规定的标准升温曲线升温作用下钢管混凝土柱防火保护层厚度的实用计算方法,计算结果与试验和数值计算结果均吻合较好(参见:韩林海,杨有福著.现代钢管混凝土结构技术.中国建筑工业出版社,2004.)。具体表达式如下:
    1 保护层为水泥砂浆时
    对于圆形截面钢管混凝土柱:

    对于矩形截面钢管混凝土柱:

    对于圆形截面钢管混凝土柱,r=3.618-0.154t,s=3.4-0.2t,ω=2.5t+2.3;对于矩形截面钢管混凝土柱,r=3.464-0.154t,s=3.2-0.2t,ω=5.7t。
    2 保护层为厚涂型钢结构防火涂料时
    对于圆形截面钢管混凝土柱:

    对于矩形截面钢管混凝土柱:



    对于圆形截面钢管混凝土柱,ω=7.2t;对于矩形截面钢管混凝土柱,ω=10t。
    式(4)~(7)中,kLR为考虑火灾荷载比(n)影响的系数,kr为火灾下构件承载力影响系数,参见式(8)和式(9),耐火极限t h计;截面周长C以mm计。公式(4)~(7)表明,当火灾荷载比小于等于承载力影响系数kr时,构件不需进行防火保护;当火灾荷载比大于承载力影响系数kr时,可按式(4)~(7)计算构件所需的防火保护层厚度。
    式(4)~(7)的适用范围是:荷载比R=0~0.95,Q235~Q420钢,C30~C80混凝土,截面含钢率αs=0.04~0.20,荷载偏心率e/r=0~1.5,构件长细比λ=10~80;对于圆形截面钢管混凝土,截面周长C=628~3770mm,即外直径D=200~1200mm;对于矩形截面钢管混凝土,截面高宽比β=1~2,截面周长C=800~4800mm;耐火极限t≤3h。
    αs(=As/Ac)为截面含钢率,对于圆形截面钢管混凝土,As=πts(D-ts),Ac=π(D-2ts)2/4;对于矩形截面钢管混凝土,As2ts(DB-2ts),Ac=(D-2ts)(B2ts),ts为钢管管壁厚度,e为荷载偏心距,r为截面尺寸,对于圆形截面钢管混凝土,rD/2;对于矩形截面钢管混凝土,rD/2或rB/2。λ为构件长细比,对于圆形截面钢管混凝土柱,λ=4L/D;对于矩形截面钢管混凝土柱,λ=23L/Dλ=23L/B。对于矩形截面钢管混凝土,βD/B
    表8.1.1给出的是荷载比为0.77时按式(4)~(7)计算获得的钢管混凝土柱的防火保护层厚度。保护层采用厚涂型钢结构防火涂料或金属网(例如钢丝网)抹M5普通水泥砂浆,防火保护层性能应符合现行国家标准《钢结构防火涂料》GB 14907和中国工程建设标准化协会标准《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS 24:90的有关规定。

8.1.5 研究表明,火灾作用对裸钢管混凝土构件的承载力有较大的影响。影响火灾下承载力系数kr的因素主要是构件截面周长(C)、长细比(λ)、受火时间(t)(参见:①韩林海著.钢管混凝土结构-理论与实践.科学出版社,2004.②韩林海,杨有福著.现代钢管混凝土结构技术,中国建筑工业出版社,2004)。
    为了便于实际应用,通过对工程常用参数情况下的kr值计算结果进行分析,可以回归出在ISO-834规定的标准火灾曲线作用下钢管混凝土柱kr的计算公式。具体如下:
    1 对于圆形截面钢管混凝土柱:

    2 对于矩形截面钢管混凝土柱:

    式(8)和(9)的适用范围是:Q235~Q420钢;C30~C90混凝土;截面含钢率αs=0.04~0.20;荷载偏心率e/r=0~1.5;构件长细比λ=10~80;受火时间t≤3h。对于圆形截面钢管混凝土,截面周长C=628~3770mm,即外直径D=200~1200mm;对于矩形截面钢管混凝土,截面高宽比β=1~2,截面周长C=800~4800mm。
    只要给定钢管混凝土构件的横截面尺寸、长细比和受火时间,即可利用式(8)或式(9)方便地计算出构件的承载力影响系数kr,进而利用下式确定火灾作用下构件的承载力:

    式中,NuNu(T)分别为钢管混凝土柱在常温下和火灾下的极限承载力。
    同样,对应一定的设计荷载,利用简化公式(8)或式(9)也可以计算出构件承载力与该设计荷载相等时的火灾持续时间,该时间即为钢管混凝土柱的耐火极限。

8.1.6 当温度超过100℃时,核心混凝土中的自由水和结晶水会产生蒸发现象。为了保证钢管和混凝土之间良好的共同工作以及结构的安全性,应设置排气孔。