钢-混凝土组合结构抗火性能研究综述

钢-混凝土组合结构抗火性能研究综述

1建筑火灾持续发生随着城市化进程的加快，人口和建筑的密集，尤其是大型管混凝土地下建筑的快速发展，以及建筑物火灾的风险。火灾发生后，给人们的生活和财产带来了巨大的破坏。如2001年9月11日,美国纽约世界贸易中心两栋大楼受到恐怖组织的袭击,“9.11事件”使美国损失民航飞机4架、世贸双子塔楼和五角大楼一角;伤亡3465人;估计带给美国的直接损失为255亿美元,而间接损失高达2000亿美元。2004年10月l7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18h,造成数亿美元的直接经济损失。国内建筑火灾造成的损失也较为惨重。2003年11月3日,湖南衡阳发生特大火灾,衡州大厦3000多平方米建筑整体倒塌(调查表明,火灾下衡州大厦西部偏北的5根柱损毁比较严重,因承载能力不足而引起整体倒塌),20名消防官兵身亡。2007年12月l2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。2009年2月9日,在建的中央电视台新台址园区文化中心(央视新大楼北配楼)发生特别重大火灾事故,在救援过程中造成1名消防队员牺牲,6名消防队员和2名施工人员受伤。建筑物过火、过烟总面积21333m2,其中过火面积84902,造成直接经济损失16383万元。钢-混凝土组合结构具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、施工方便以及造价经济合理等优点,近年来在高层建筑结构中得到广泛应用。因此,研究钢-混凝土组合结构的抗火性能、建立钢-混凝土组合结构的抗火设计理论具有重要的现实意义。为此,本文对国内外的钢-混凝土组合结构抗火性能研究现状进行总结,对国内已有的抗火设计规范进行讨论,对钢-混凝土组合结构抗火性能方面需要进一步研究的工作进行展望,期望能为后续研究提供一些意见和建议。2混凝土楼板、钢-混凝土组合梁或型钢混凝土柱钢-混凝土组合结构是由压型钢板-混凝土组合楼板(或钢筋混凝土楼板)、钢-混凝土组合梁、钢管混凝土柱或型钢混凝土柱组成。研究范围包括组合结构构件及组合节点、组合结构体系的试验研究、理论分析、设计方法和工程应用等方面。2.1抗火性能研究1995年前,国内外学者对火灾下组合结构抗火性能的研究集中于构件抗火性能试验研究,此时的研究工作比较基础。1995年英国Cardington的BRE火灾研究实验室在一个8层高的足尺钢柱-钢板-混凝土组合楼盖框架结构内进行了7个局部火灾试验研究,包括组合梁、组合楼板、组合框架等在实际结构中的抗火性能,结果表明结构中构件的抗火性能优于单个构件的抗火性能。为此,国内外学者对约束状态下构件的抗火性能或考虑结构整体的构件抗火性能展开研究。而基于构件层次的构件抗火试验研究依然是验证学者们提出的结构抗火计算理论和材料本构关系合理性的基础。2.1.1钢板与混凝土的粘结强度国外对压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能展开研究较早。1990年以前,荷兰的Brekelamans等人分别针对简支边界条件、固支边界条件、连续板边界条件组合楼板的抗火性能进行了一系列的试验研究。文献对高温下压型钢板-混凝土组合板的粘结强度进行了试验研究,结果表明压型钢板与混凝土之间的粘结强度随温度的升高而迅速下降,并给出了高温下压型钢板与混凝土之间粘结强度的经验计算公式。由于高温下压型钢板与混凝土之间的粘结-滑移性能的弱化显著,压型钢板-混凝土组合板的抗火性能分析中可不考虑压型钢板与混凝土的相互作用。文献对3块压型钢板-混凝土简支组合楼板进行了恒载升温试验研究,考虑了组合楼板的跨度与抗剪连接件对简支组合楼板耐火极限的影响。试验结果表明:简支组合楼板的抗火性能较差,3块板的耐火极限均在30min左右;板的跨度对耐火极限的影响很大,而抗剪连接件的影响相对较小。文献对4块采用两跨连续开口型压型钢板-混凝土组合楼板的钢-混凝土组合楼盖在不同荷载水平下的抗火性能进行了试验研究,试验中钢梁受保护,压型钢板裸露,试验表明:压型钢板的厚度对组合板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现象。文献对4块压型钢板-混凝土连续组合楼板进行了恒载升温试验研究,对板的变形、破坏机构、内力重分布进行了研究分析。试验结果表明:连续板由于负弯矩钢筋的显著作用,其耐火性能较好;升、降温阶段连续板均出现剧烈的内力重分布,不同受火工况对连续板内力重分布的影响较大;连续板的火灾反应对塑性铰的出现时间、位置与次序有很大影响。2.1.2组合梁抗火性能试验研究剪力连接件作为钢-混凝土组合梁的重要连接件,其抗火性能备受关注。文献通过对欧洲规范中的高温下连接件的极限承载力和力-滑移关系曲线的分析,给出了高温下连接件的极限承载力和力与滑移关系。国外学者对钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究集中于Cardington试验中的约束钢-混凝土组合梁抗火性能试验,试验概况和结论见2.1.5节。国内对组合梁抗火性能进行了试验研究,文献进行了2根钢梁带保护层情况下的足尺钢-混凝土组合简支梁抗火性能试验研究,2根组合梁分别为主梁式试件(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),试验荷载相当于正常使用荷载,试验结果表明,由于混凝土板有明显的阻热作用,钢梁截面温度分布不均匀;恒载升温途径下组合梁在极限状态时先混凝土压碎后钢梁软化屈服,破坏时钢梁的温度小于600℃,且梁端混凝土易发生纵向剪切破坏。在此基础上,文献开展2榀约束组合梁抗火性能试验研究,通过利用约束框架对简支和连续组合梁施加约束,研究了处于结构整体中的组合梁的抗火性能及其在火灾中破坏的过程和特点。并采用间接方法得到了组合梁的轴力和弯矩。试验表明:①悬链线效应有助于提高组合梁的抗火性能;②常温下钢梁下翼缘满足宽厚比要求,在火灾下仍会发生屈曲;③组合梁的节点设计中应进行轴向承载能力验算;④组合梁在火灾下的破坏过程可分为升温膨胀阶段、跳跃阶段和悬链线阶段。2.1.3核心混凝土柱退火特性钢-混凝土组合柱包括钢管混凝土柱和型钢混凝土柱。国内外关于火灾下钢管混凝土柱抗火性能试验研究较多,而对型钢混凝土柱抗火性能试验研究较少,主要研究成果见表1。钢-混凝土组合柱试验结果表明:(1)影响钢-混凝土组合柱抗火性能的主要因素有长细比、构件截面、混凝土强度、骨料类型等。钙质混凝土的钢管混凝土柱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。(2)当轴压比较低时,钢管混凝土柱轴向膨胀变形明显,钢管仅在受火初期承担荷载,受火后期主要由核心混凝土承担荷载,当构件长细比较大时,钢管混凝土柱耐火极限较低,破坏形态为失稳破坏,当构件长细比较小时,钢管混凝土柱耐火极限较高,破坏形态为强度破坏,并局部出现鼓曲和褶皱;当轴压比较高时,柱轴向膨胀变形不明显,柱耐火极限低于30min;高强混凝土在高温下易发生爆裂,导致相同轴压比下钢管高强混凝土柱的耐火极限更低,破坏更突然,构件局部出现斜截面剪切破坏特征。(3)型钢混凝土柱抗火性能与钢筋混凝土柱抗火性能相似,抗火性能较钢管混凝土好,但火灾下外围混凝土易爆裂而使型钢混凝土柱提前失效。(4)火灾下型钢混凝土柱试验表明,轴向约束即轴向膨胀受限制时将明显降低柱耐火极限。柱端约束对矩形钢管混凝土柱有效计算长度的影响仍需进一步研究。此外,为改善钢管混凝土柱耐火极限偏低的问题,在裸露钢管混凝土柱试验研究成果的基础上,国外学者Lie和Kodur等采用通过在核心混凝土中配置钢筋、钢纤维等方式以提高耐火极限;国内学者韩林海等通过对钢管带保护层来提高其耐火极限。2.1.4局部火灾试验文献进行了型钢混凝土柱-钢-混凝土组合梁节点和方钢管混凝土柱-钢筋混凝土T形梁节点的耐火极限试验,分析了不同梁荷载比(0.3和0.6)对抗火性能的影响。试验对楼板以下部分受火,以模拟结构中局部楼层火灾的情况。试验结果表明,节点的破坏都呈延性,但节点区的混凝土梁和混凝土柱会发生明显的保护层剥落现象,说明节点是结构受火中最不利的部位。2.1.5组合梁抗火性能试验研究组合结构体系抗火性能研究从1995年Cardington的BRE火灾研究实验室进行的8层足尺钢柱-钢-混凝土组合楼盖结构试验开始,britishsteelplc(BS)和buildingresearchestablishment(BRE)先后进行了7个著名的火灾试验,分别是:①位于7层的约束组合梁火灾试验;②位于3层的大隔间火灾试验;③位于3层的角部隔间火灾试验Ⅰ;④位于4层的平面框架火灾试验;⑤位于2层的角部隔间火灾试验Ⅱ;⑥位于2层的标准办公室火灾试验;⑦位于4层的隔间火灾试验。Cardington试验结果表明:(1)非承重构件(如设计时不用做承受竖向荷载的支撑)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局部屈曲对钢梁稳定性影响不明显;(3)在组合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;(4)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;(5)降温过程中,楼板阻碍钢梁的收缩,从而在节点处产生拉应力,造成端板和螺栓的断裂;(6)在整体结构中,钢梁和楼板应该作为楼板体系进行抗火分析,而不应作为单独构件进行计算;(7)平面钢框架抗火试验中,从受火钢柱所在的楼层到建筑物的顶层,钢柱所在位置的楼面整体向下移动了约180mm,但整体结构并未发生倒塌,说明考虑结构的连续性可以提高钢框架柱在局部火灾下的抗火性能。在对Cardington试验基础上,国内外学者开展了不同层次的组合结构抗火试验。文献进行了4榀单层单跨钢柱-钢混凝土组合梁框架抗火性能试验研究,组合梁连接方式为栓钉连接式和钢梁埋入混凝土板式,火灾工况包括:组合梁、柱同时受火而节点不受火和仅组合梁受火而柱、节点不受火2种,钢梁埋入混凝土板式的组合梁抗火性能较好,可考虑在跨度不大的工程中优先使用。文献进行了7榀两层两跨钢柱-钢混凝土组合梁框架抗火性能试验研究,火灾工况包括:单室受火(2榀)、同跨受火(2榀)、不同跨受火(2榀)和底层受火(1榀),试验时梁、板同时受火,柱受火或不受火,节点不受火。试验表明:火灾下框架梁和框架柱之间存在相互约束作用而使框架产生内力重分布,且组合梁的抗火性能明显优于钢柱,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,并指出工程中应对钢柱和节点实施必要保护措施。文献进行了8榀单层单跨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T形梁框架、2榀圆形钢管混凝土柱-型钢混凝土T形梁框架和2榀方形钢管混凝土柱-钢筋混凝土T形梁框架,钢管混凝土柱外涂厚型防火涂料。试验结果表明,火灾下梁跨中底部混凝土出现了均匀的裂缝,使得内部钢筋或型钢在高温下形成拉力索,由于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,最后柱顶钢管局部屈曲而使框架破坏;由于外部荷载以及降温过程中混凝土收缩共同作用,节点区梁底部混凝土出现了明显裂缝。文献进行了7榀方钢管混凝土柱-型钢梁框架和3榀圆钢管混凝土柱-型钢梁框架的耐火试验,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,钢梁的耐火极限高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。2.2理论研究2.2.1主要研究成果温度场计算理论较成熟,对于组合结构构件、节点或结构体系,一般采用有限元法,包括ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件以及学者们自编的有限元软件,也有部分学者采用有限差分法,还有学者采用解析法或其他经验公式法,主要研究成果见表2。2.2.2结构组件的抗火分析(1)钢-混凝土组合梁抗火分析文献利用有限元软件ANSYS进行钢-混凝土组合梁抗火分析,对影响组合梁抗火性能的混凝土板、钢梁、栓钉等相关参数,混凝土板中的纵筋参数,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。文献利用有限元软件ANSYS进行组合梁抗火分析,对不同压型钢板型号、不同边界条件下的组合梁采用有限元模型进行抗火性能分析。研究表明:不同类型压型钢板对组合梁抗火承载力影响不大;四种典型边界条件的组合梁可简化为简支和固支两种边界条件组合梁进行抗火计算;完全固支组合梁高温极限状态时,轴力所引起的附加弯矩较小,负弯矩区钢梁下翼缘更容易局部屈曲,最终梁端及跨中产生塑性铰而破坏。文献采用DYNA3D有限元软件对圆钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。文献分别采用ANSYS和ABAQUS有限元软件对圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱抗火性能进行分析。(2)钢管混凝土柱抗火性能的有限元分析及应用文献根据自编的有限元程序,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节点等参板单元模拟压型钢板-混凝土组合楼板上部连续部分,采用3节点梁单元模拟下部的板肋。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。文献编制了火灾下钢-混凝土组合楼盖抗火非线性有限元程序,程序中考虑了高温下钢筋与混凝土、压型钢板与混凝土之间的粘结-滑移性能。文献利用该程序对简支和连续压型钢板-混凝土组合楼板的抗火性能进行了参数分析,分析了火灾荷载比、压型钢板厚度和负弯矩区配筋率等参数的影响,提出了压型钢板-混凝土组合楼板抗火设计方法。文献提出合理的火灾下钢管混凝土拉、压材料数值热-力耦合本构模型,采用非线性梁单元理论编制有限元程序NACFSTLF,考虑先加载后升温的加载路径,材料热-力耦合本构关系中考虑钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变,对火灾下圆钢管混凝土柱抗火性能进行有限元分析并考察钢管混凝土柱初始缺陷对其抗火性能的影响。分析结果表明:由于柱存在初始缺陷,计算的耐火极限基本上是试验结果的上限。文献采用其自编的有限元程序FIREFRAME对无侧移钢管混凝土柱的抗火性能进行分析,通过建立无侧移框架模型分析柱有效长度、轴力和弯矩等因素对其耐火极限的影响。结果表明火灾下框架结构中无侧移柱轴力的变化较小,采用不变的轴力计算柱的耐火极限略偏于安全。在此基础上,文献提出了一种计算裸露和有保护层圆钢管混凝土柱耐火极限的简化方法,文献形成了钢管混凝土柱耐火极限设计软件(firesoft)。文献采用有限元软件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抗火性能,分析了截面尺寸和火灾荷载比等参数对轴向约束(轴向膨胀受限制)型钢混凝土柱耐火极限的影响规律。(3)纤维模型法和火灾下型钢混凝土柱抗力折减系数的计算文献采用纤维模型法计算了压型钢板-混凝土组合简支板的耐火极限,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。文献采用共轭梁法对火灾下压型钢板-混凝土简支组合楼板的挠度反应进行计算,对多种工况下组合楼板的抗火性能进行了分析。文献利用纤维模型法对火灾下简支组合梁的抗弯承载力进行计算,表明影响全过程曲线和抗力折减系数的主要参数是梁的高度和钢梁的厚度。文献采用纤维模型法,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。文献进一步采用纤维模型法,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。文献采用纤维模型法,提出一种可以计算火灾下圆钢管混凝土和方钢管混凝土柱极限承载力折减系数的简化公式。该公式中考虑了混凝土强度等级、钢材强度等级、含钢率、构件有效计算长度、截面尺寸和保护层厚度等影响。文献也采用纤维模型法对火灾下圆钢管混凝土和方钢管混凝土轴压柱抗火性能进行分析。文献采用纤维模型法对火灾下圆钢管混凝土和方钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算,文献采用纤维模型法对火灾下中空夹层钢管混凝土偏压柱的极限承载力进行了计算,并提出了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。文献采用纤维模型法对火灾下型钢混凝土柱耐火极限进行了计算。此外,文献[23,84,85,86,87,88]也都采用纤维模型法对火灾下型钢混凝土柱耐火极限进行了分析,文献在参数分析基础上,提出了火灾下型钢混凝土柱承载力折减系数简化计算方法。(4)组合梁抗火方案文献给出了高温下部分剪力连接的钢-混凝土组合梁承载力的解析计算方法。文献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解析计算方法。文献采用解析法推导了组合梁的轴力-弯矩相关曲线,给出考虑结构整体性的平板式组合梁结构抗火极限分析方法。文献提出考虑结构整体性的组合梁火灾全过程计算方法,该方法可计算组合梁挠度、轴力、跨中及梁端弯矩的变化全过程。文献分析了荷载比、约束刚度、钢梁与混凝土相对面积比等对约束组合梁抗火性能的影响,并提出考虑结构整体性影响的组合梁抗火实用计算方法。文献根据试验结果,提出梁下翼缘屈曲是组合梁轴力由压力向拉力的转折点,并利用功能原理建立了组合梁下翼缘屈曲的屈服线模型和计算方法。文献对1992版Eurocode4建议的裸露钢管混凝土轴压柱耐火极限公式计算结果与36个圆钢管混凝土柱和7个方形钢管混凝土柱的试验结果进行了比较,研究发现:计算所采用的混凝土强度折减模型对结果影响较大;采用Eurocode1建议的等效曝火时间计算方法,表明钢管混凝土柱的等效曝火时间需在计算结果基础上乘以2.35的影响因子来修正。文献采用朗金法分析了标准火灾下钢管(配筋)混凝土轴压和偏压柱的极限承载力,提出了火灾下钢管混凝土柱塑性压曲承载力计算方法。(5)神经网络文献神经网络模型,在确定钢管混凝土轴压柱各试验参数及耐火极限的情况下,利用学习样本对神经网络进行训练,并预测耐火极限。2.2.3抗结构火分析(1)节点抗火设计文献等采用ABAQUS有限元程序,研究了高温对钢管混凝土柱-钢梁加强环节点弯矩-转角关系的影响,分析环板宽度、轴压比、柱直径、柱截面含钢率、柱长细比、梁柱线刚度比、梁柱强度比等参数对节点弯矩-转角关系的影响规律。文献考虑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,建立分析型钢混凝土柱-型钢混凝土梁节点火灾下受力性能的有限元模型。利用该模型对柱截面周长、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、梁柱极限弯矩比等参数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。文献在建立高温下钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点有限元分析模型的基础上,分析了在不同高温下环板宽度、钢管厚度、钢梁翼缘宽度和厚度、梁高等参数对节点抗弯承载力和初始刚度的影响;提出高温下节点抗弯承载力和初始刚度的简化计算方法,并用欧洲规范EC3的连接分类方法对高温下节点刚性进行了分析。文献利用有限元程序ABAQUS分析了Cardington抗火试验。文献在对8榀单层单跨钢管混凝土柱组合框架耐火试验的基础上,采用有限元程序ABAQUS建立了火灾下钢管混凝土柱-钢筋混凝土(型钢混凝土)梁平面框架有限元模型,对火灾下钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架的破坏形态、位移(挠度)-受火时间关系、框架构件的内力重分布规律等进行探讨,并分析了各参数对钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架耐火极限、变形、内力的影响规律,提出了单层单跨圆钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁平面框架耐火极限简化计算公式。(2)有限元模型上的抗火性能文献[103,104,105,106,107,108,109,110]完善并利用INSTAF有限元程序对火灾下组合结构的受力性能进行了系列研究,模型中用梁柱单元模拟钢柱和钢梁、用弹簧单元模拟节点、用壳单元模拟楼板,通过对Cardington火灾试验结果的模拟,研究降温和火灾扩散对框架受力性能的影响,研究框架梁的膨胀变形对框架柱受力性能的影响,研究钢框架柱在多层钢柱-组合楼盖框架中的受力性能,提出取消框架结构防火保护的设计方法等。文献在INSTAF有限元程序基础上进行完善和扩充,开发了火灾下组合结构抗火分析的程序VULCAN,对火灾下组合框架结构的受力性能进行了系列研究,对Cardington火灾试验结果进行了模拟,模型中用梁柱单元模拟钢柱和钢梁、用弹簧单元模拟节点、用板单元模拟楼板、栓钉采用剪切连接单元,该程序可考虑约束钢梁的悬链线效应和组合楼板的拉力膜效应。VULCAN程序单元类型少,不能模拟结构局部屈曲和扭转屈曲性能,也不能反映节点性能。文献用有限元程序FIREFRAME分析了Cardington抗火试验中的2个试验,FIREFRAME为平面框架有限元程序,采用梁柱单元并基于平截面假设,不能考虑局部屈曲和扭转屈曲。文献采用可反映火灾下钢管混凝土柱的约束套箍作用和结构的温度-荷载历史、具有计算功能较强和效率较高的自编平面有限元程序NACFSTLF,对一榀3跨6层(跨度9.0m,层高4.5m)的局部楼层发生火灾高温情况下钢管混凝土平面框架结构的抗火性能进行了分析,计算假设节点为刚性且受保护,分析结果表明:钢管混凝土框架结构最薄弱环节是底层的钢管混凝土中柱,表现为中柱承载力降低而导致失稳破坏;由于内力重分布的影响,框架柱的抗火性能要优于相同初始荷载下两端固支单柱的抗火性能;火灾高温情况下钢管混凝土框架柱需进行防火处理。该程序采用梁柱单元并基于平截面假设,不能考虑局部屈曲和扭转屈曲。2.3标准和设计方法2.3.1设计防火规范对结构抗火性能的影响基于试验的设计方法以独立构件标准耐火试验结果为依据,其代表性设计规范如GB50016—2006《建筑设计防火规范》和GB50045—95《高层民用建筑设计防火规范》,由于这些规范编制较早,还缺乏对结构抗火性能系统深入研究,因此采用这类规范设计的组合结构,不能反映真实的火灾升温、结构整体性能和火灾下荷载作用对结构构件抗火能力的影响,不能确保结构抗火安全。2.3.2构件结构材料热性能计算该方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限进行判断,考虑温度内力的影响。理论研究以有限元分析为主,考虑任意荷载形式和端部约束状态的影响。目前该法已广泛用于欧洲的Eurocode4(2005)和我国的CECS200:2006《建筑钢结构防火技术规范》。该设计方法计算过程如下:(1)采用确定的防火措施,设定防火保护层厚度。(2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。(3)采用高温下钢材材性参数,计算结构中构件在外荷载和温度作用下的内力。(4)进行荷载效应组合。(5)根据构件和受载类型,进行构件耐火承载力极限状态验算。(6)当设定的防火涂层厚度不满足要求时,可调整防火保护层厚度,重复上述(1)～(5)步骤。2.4框架-剪力墙结构体系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、超高层建筑以及大跨度空间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;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;上海金茂大厦外框架采用了型钢混凝土;环球金融中心等均采用了型钢混凝土结构;武汉新站、北京南站、长沙南站等均采用钢-混凝土组合结构技术。关于组合结构部分的防火保护,在CECS200:2006《建筑钢结构防火技术规范》颁布之前,钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁是按照GB50016—2006《建筑设计防火规范》的要求并参照钢结构的防火要求进行设计,对于型钢混凝土柱防火保护参照混凝土柱的防火要求进行设计;此后,钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁的防火保护设计参照CECS200:2006《建筑钢结构防火技术规范》,该规范中钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁的防火保护设计考虑了混凝土部分的有利影响,且组合楼板的防火保护设计考虑了拉力膜效应,因而节约了组合结构的建筑防火成本。3主要问题3.1节点和结构体系试验钢-混凝土组合结构抗火性能的试验研究,总体上构件试验较多,对节点和结构体系试验相对较少;对受压和受弯构件研究较多,对受剪和复合受力状态研究较少。在试验方法上也是缺乏统一的试验标准,试验结果难以比较与共享。3.2解析法和纤维模型法适用范围不同钢-混凝土组合结构抗火性能的理论分析,总体上也存在类似试验研究方面的“两多两少”现象,即对构件分析较多,对节点和结构体系分析较少;对受压和受弯构件分析较多,对受剪和复合受力状态分析较少。结构构件抗火分析研究中,解析法、半解析法和纤维模型法等等都不考虑钢与混凝土板滑移的影响,而直接采用平截面假设,且这些分析方法不能考虑先加载后升温的加载路径,分析中钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变一般都被忽略,因此解析法、半解析法和纤维模型法适用范围较局限。框架结构体系抗火分析中,学者们自编的专用有限元软件适用范围窄,单元类型单一,材料热-力耦合本构关系不完善,适用范围也较局限。采用ANSYS、ABAQUS等有限元软件可模拟钢与混凝土板之间的滑移性能,但由于火灾中构件截面由于温度分布的不均将引起截面应力重分布,以及受火构件膨胀引起框架内各相关构件的内力重分布,若考虑这些影响因素而需引入钢材和混凝土不同的加载、卸载和再加载路径,并考虑钢材的蠕变、混凝土的高温徐变和瞬态热应变,目前尚未见相关报道。3.3设计方法的不足CECS200:2006《建筑钢结构防火技术规范》采用基于构件计算的设计方法,它克服了基于试验设计方法的主要缺陷,考虑了压型钢板-混凝土组合楼板的拉力膜效应。由于结构抗火分析本身的复杂性,该设计方法尚存在如下不足:(1)不考虑火灾荷载和温度历史,一般采用先计算温度场,再计算该温度场下的极限承载力。(2)考虑的是单个构件耐火极限或临界温度的计算,没有考虑火灾下结构体系的内力重分布。(3)对节点的抗火设计考虑的不多,节点是受力最复杂的部位之一,且火灾下节点受力变化很大,是结构抗火的薄弱环节,结构是作为整体承受荷载,组合结构抗火设计应以“整体不倒塌”为最终目的,应考虑火灾下结构的整体反应特性,包括节点在内。(4)该规范仅限于火灾发生时如何保证结构构件的耐火极限满足要求,对于在火灾扑灭后降温过程中和降温后结构是否破坏或倒塌尚未涉及。4需要深入研究的问题4.1高温热-力耦合材料本构关系