刘 超， 孙 彤， 王静峰，3， 刘 用，3

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230000；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009；3.先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着我国经济社会快速发展，城镇化率不断提高，建筑火灾也越发频繁，造成的损失极为严重，其中多高层建筑又是目前最普遍的建筑类型，成为防火设计重点研究建筑类型之一。

近年来，出现一种在H型钢两翼缘间填充混凝土而成的新型部分包裹混凝土组合构件，简称PEC构件，其典型截面形式如图1所示。PEC构件翼缘间的混凝土可以承担一大部分荷载，并增强了构件的局部稳定，与传统的钢框架相比，此类构件的截面尺寸显著减小，增加了房间的有效使用面积，因此具有良好的力学性能和优越的经济性能，应用前景良好。

图1 典型PEC构件截面图

最典型的PEC构件是PEC柱，PEC 柱的延性、承载能力等力学性能优于普通钢柱，耐火性能优于无防火保护的钢柱，同时，PEC柱施工简便，节省模板，经济性能优越，可以直接应用于新建多高层结构和已有钢柱的加固与改造，应用前景良好。但在火灾高温的情况下，PEC柱由于H型钢翼缘外露，钢材迅速升温而强度显著降低，导致混凝土的压碎和柱刚度和强度的快速下降，构件承载力下降，因此PEC抗火性能及抗火设计方法受到各界关注。

1 PEC柱抗火研究进展

目前国内外关于PEC柱的抗火研究进展如下：

1.1 国外研究进展

Wainmannl等[23]进行了PEC柱抗火极限试验，为欧洲规范中的PEC柱抗火设计提供了依据。

Korzen等[24]研究了约束PEC柱耐火极限，考虑了轴向约束刚度、荷载比和长细比等参数，得出结论：轴向约束刚度增大，轴向约束力增加。Correia和Rodrigues等[25]也对约束PEC柱的耐火性能进行了研究，在Korzen的基础之上，他还研究了转动约束刚度比这一参数对耐火性能的影响，得出如下结论：低荷载比下，约束刚度增加，柱子耐火极限时间缩短，高荷载比下，约束刚度增加，耐火极限时间几乎没有变化；长细比增大，耐火极限减小。

另外，一些国家已将PEC柱的抗火设计内容编入了相关的规范当中，例如欧洲规范Eurocde4.1和德国DIN4102.4，它们均以图表形式对PEC柱不同耐火极限要求下柱最小截面尺寸、最大翼缘宽厚比等参数作出了具体规定。

1.2 国内研究进展

毛小勇、徐悦军[21-22]研究了标准升温条件下PEC柱耐火性能，得出两条结论：没有耐火保护的PEC柱的耐火极限一般无法达到现有抗火标准的要求；荷载比、长细比和截面周长是影响PEC柱耐火极限的主要因素。并提出了火灾下PEC柱变形曲线及耐火极限的计算方法。在此基础之上，毛小勇等[19]研究了约束PEC柱的轴力变化，其有限元模型如图2所示，考虑了火灾荷载比、轴向、转动约束刚度比、长细比、偏心率等参数，得出结论：轴向约束增大了PEC柱的轴力，且轴向刚度比越大，轴力增加越明显；但随着荷载比的增大，轴力变化幅度呈减小趋势；柱的长细比，转动约束刚度对PEC柱的轴力没有明显的影响，如图2所示。

图2 PEC柱模型

满建政等[20]研究了约束PEC柱的耐火极限，考虑了火灾荷载比、轴向约束刚度比、长细比、偏心率和约束梁跨度等参数，得出如下结论：火灾荷载比增大，耐火极限呈线性降低；轴向约束刚度比、长细比和偏心率对耐火极限没有影响；荷载比对耐火极限影响很大，约束梁跨度等参数影响较小。行盼娟，毛小勇，于宝林[5]对轴压作用下基于子结构模型的约束PEC柱的耐火极限进行了研究，与满建政等[20]不同的是，他们还考察了梁上荷载大小及柱长度对耐火极限的影响，得出结论：轴力比和柱长度对耐火极限有较大影响,而轴向约束刚度、约束梁跨度及梁上荷载的影响很小;耐火极限随荷载比的增大迅速降低。

金晓飞等[8]另外考察了弯矩分布模式对约束PEC柱(强轴)抗火性能的影响，得出如下结论：当荷载比和偏心率较小时，弯矩分布模式对PEC柱的变形特征及轴力变化系数没有影响；随着荷载比和偏心率的增大，弯矩分布模式对其影响变大。在其他参数相同的条件下，均匀弯矩分布模式下柱的耐火极限时间最短；三角形弯矩分布模式和异号弯矩分布模式下PEC柱耐火极限时间差别不大。目前国内外对PEC柱抗火性能的研究还有以下不足：多数对PEC柱的研究为四面均匀受火条件，针对单面、双面和三面等非均匀受火条件下的PEC柱抗火性能的研究还较少。同时，异形截面PEC柱 不仅具有PEC柱的优点，而且布置灵活，建筑效果好，应用前景广阔，但目前仍缺乏异形截面PEC柱抗火性能的研究。

2 PEC梁柱组合节点研究进展

目前国内外关于PEC梁柱组合节点的研究进展如下：

Plumier等[26]对12个足尺PEC柱梁柱边节点进行了试验，对节点区的受力性能进行了研究，结果如下：连接方式、腹板厚度对PEC柱节点性能影响较小；试验中所有屈服均发生在梁上，由于混凝土作用，梁翼缘总是向外弯曲。

方有珍等[14]对新型卷边钢板混凝土组合PEC柱钢梁节点进行了低周循环荷载试验，结果表明：新型卷边钢板混凝土组合PEC柱满足 “双向等刚度”的要求；设置预拉对穿螺栓使节点域充分实现混凝土斜压带传力，对钢柱腹板的抗剪要求降低，所有试件都表现出不同程度的自复位功能与良好的耗能能力，实现了强节点的抗震设防目标。

王静峰[15]通过有限元模拟对高温下钢管混凝土柱钢梁外加强环节点进行了研究，分析了在不同恒高温下环板宽度、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。在此基础上建立了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。

3 钢-混凝土组合框架的抗火研究进展

毛小勇、王宇[6-7]应用ABAQUS有限元软件创建了局部火灾作用下PEC柱-钢梁组合平面框架的温度场以及抗火分析模型，模型得到相关试验结果的验证。采用验证后的模型分析了火灾下PEC柱-钢梁组合框架的失效模式、PEC柱内力的变化规律和结构变形特征等，同时分析了火灾发生的位置对PEC框架结构抗火性能的影响。分析表明：在不同保护层厚度和载荷条件下，PEC柱-钢梁组合框架会出现梁先失效以及柱先失效两种失效模式，如图3所示；柱先失效引起结构整体破坏，梁先失效引起结构局部破坏；框架受火的面积越大，受火柱的轴压比以及受火梁的荷载比越大，框架的耐火极限时间越短。

图3 两种失效模式云变形图(变形放大5倍)

李晓东等[16]研究了4榀单层单跨钢框架和6榀双层双跨钢框架的抗火性能，考虑到钢梁和钢筋混凝土板间不同构造形式和不同受火工况两个因素，通过试验得到了钢框架的温度场分布和框架的变形规律，试验表明：火灾条件下，单层单跨框架梁全部受火时，框架破坏形式为钢柱的压屈破坏，破坏位置为受保护的钢节点下方钢柱；双层双跨钢框架受火跨不影响未受火跨。

王广勇等[17]利用有限元分析了局部火灾下钢筋混凝土平面框架结构的耐火性能，并在此模型基础上研究了火灾条件下框架结构的破坏机制、变形规律、塑性铰分布规律。研究结果表明：轴压比较大时，框架破坏形式均是受火边柱底端在弯矩和轴力共同作用下破坏，进而导致整体破坏。轴压比较小时，各工况下均发生受火梁的局部破坏。当受火跨数相等时，上层的耐火极限小于下层的耐火极限。

王卫华[18]研究了八榀单层单跨组合框架，并进行了耐火试验，观察了不同类型的梁和不同截面的钢管混凝土柱所组成的框架的抗火性能，试验研究发现：组合框架的温度场由于防火保护层和混凝土的吸热作用而保持着较低水平，且在火灾下因为构件间的组合作用，框架发生了应力重分布，最后组合框架由于柱顶钢管局部的屈曲而发生了破坏。

4 结论与展望

(1) PEC构件抗火性能虽优于普通钢筋混凝土柱，但由于型钢翼缘裸露，仍不能达到结构安全的耐火极限要求，今后应考虑在其翼缘包覆防火板或涂刷防火涂料，对其进行抗火性能研究。

(2) 多数对PEC柱的研究为四面均匀受火条件，针对单面、双面和三面等非均匀受火条件下的PEC柱抗火性能的研究还较少，同时缺乏关于对异形截面PEC柱抗火性能方面的研究。

(3) 在PEC梁柱组合节点以及框架方面的抗火性能研究非常匮乏，框架方面的研究多为钢筋混凝土框架，应多展开在框架以及节点方面的抗火性能研究。