章晴雯

【摘  要】建筑火灾是危害人民生命财产安全的常见灾害之一，以前通常是通过建筑设计和消防措施来考虑建筑防火的问题。而研究表明，采用不同的节点构造、防火涂层设置等构造措施对结构的抗火性能和耐火极限影响较大，关于结构抗火的研究成为工程界关注的热点问题。型钢混凝土结构应用广泛，近年来与其相关的抗火研究成果丰硕。为此，论文系统地总结了型钢混凝土梁、柱、节点和框架抗火研究新进展，并提出需要进一步深入研究的方向。

【Abstract】Building fire is one of the common disasters that endanger the safety of people's life and property. In the past， building fire prevention was usually considered through architectural design and fire prevention measures. The research shows that the fire resistance and fire resistance limit of the structure are greatly affected by different joint structures and fire retardant coating settings. The research on the fire resistance of the structure has become a hot issue concerned by the engineering field. Steel reinforced concrete structure is widely used. In recent years， the research on fire resistance is fruitful. Therefore， this paper systematically summarizes the new progress of fire resistance research on beams， columns， joints and frames of steel reinforced concrete structures， and puts forward the direction of further research.

【关键词】型钢混凝土;抗火性能;研究进展;研究趋势

【Keywords】steel reinforced concrete; fire resistance; progress of research; research trend

【中图分类号】TU398+.9                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）11-0180-05

1 引言

在众多灾种中，火灾的发生概率最大，频率最高。国际上每年均有大量建筑物毁于火灾之中，损失严重。高温后，建筑材料的力学性能会呈现不同程度的降低，结构的承载能力迅速下降，致使结构产生一定程度的损伤甚至严重破坏。建筑火灾除了造成结构倒塌、人员伤亡之外，更多的是因为结构功能失效而引发间接的经济损失。由此可见，开展结构抗火研究工作具有十分重要的现实意义。

型钢混凝土结构是一种强度高、刚度大、延性好、抗震性能良好的结构体系，广泛应用于各类重载结构、大跨结构、高耸结构、高层建筑以及地震区的建筑物[1]。国内外对型钢混凝土结构抗火性能的研究起步较晚，20世纪80年代才开始探索研究型钢混凝土结构的抗火设计，特别是最近十几年，各研究机构对于型钢混凝土构件和结构做了一些火灾试验和相关的理论研究。本文论述了国内外关于型钢混凝土结构耐火性能的主要研究成果，提出尚需要解决的问题，有助于进一步研究型钢混凝土结构的高温力学性能和耐火极限。

2 型钢混凝土梁的耐火性能研究

2.1 型钢混凝土梁

國内外关于型钢混凝土梁的抗火性能研究报道较少。郑永乾等[2]采用纤维模型法和有限元软件ABAQUS计算分析SRC梁的耐火性能，二者的计算结果较为接近，且得到了实验数据的验证。基于此，采用计算效率较高的纤维模型法分析各参数对火灾下SRC梁承载力影响系数的影响规律，结果表明火灾时间和截面尺寸影响最大，最后回归分析得到火灾下SRC梁承载力影响系数简化计算公式和耐火极限简化计算公式，给出了方便实用的SRC梁耐火极限表。董琳琳[3]采用ABAQUS建立了多跨连续SRC梁的火灾力学模型，计算结果与实验结果吻合较好。随后模拟分析在不同跨受火情况下三跨连续SRC梁的温度场分布、破坏形态和应力分布情况。最后得到火灾下型钢混凝土梁正截面受弯承载力计算公式。

2.2 预制装配式型钢混凝土梁

我国正在大力发展预制装配式建筑，李智[4]对预制装配式型钢混凝土（PSRC）梁的抗火性能作了一些初步研究，利用ABAQUS建立了PSRC梁的温度场计算模型和热-力耦合计算模型，模型得到了试验数据验证，比较分析了PSRC梁和SRC梁的耐火极限，认为SRC梁的耐火性能略好，探讨了叠合面摩擦系数大小对PSRC梁耐火极限的影响，计算分析了各参数对PSRC梁耐火极限的影响，指出荷载比、受火面数和型钢截面尺寸是主要影响因素。

2.3 预应力型钢混凝土梁

傅传国等[5-10]报道了14个预应力型钢混凝土简支梁构件的火灾试验情况，测得火灾作用下各试件的温度场分布、测点挠度、预应力筋的有效预应力、试件端部预应力值等重要参数。降温之后继续对试件加载进行火灾后力学性能试验，观察梁的破坏过程，得到各测点挠度、裂缝分布、梁的高温后剩余承载力等试验数据。然后利用有限元軟件ABAQUS建立试件的温度场模型、高温下和高温后的热-力耦合模型，并得到试验数据的验证。在此基础上，进一步推导出高温作用下预应力型钢混凝土简支梁构件的预应力损失简化计算公式、火灾下和火灾后预应力型钢混凝土简支梁的刚度简化计算公式、火灾作用时预应力型钢混凝土简支梁的正截面受弯承载力简化计算公式和斜截面受剪承载力简化计算公式、火灾高温后预应力型钢混凝土简支梁的正截面受弯承载力简化计算公式。

3 型钢混凝土柱的耐火性能研究

3.1 型钢混凝土柱

陆洲导和徐朝晖[11，12]进行了12个型钢混凝土柱的抗火试验，采用有限单元法和有限差分法的混合解法，编制计算程序用以分析型钢混凝土柱的温度场分布和抗火性能。计算结果得到了试验验证。随后考虑各参数对SRC柱耐火极限的影响。最后对大量数据进行拟合，确定火灾下SRC柱极限承载力实用计算公式。

郑永乾等[13-15]利用有限元法计算了SRC柱的温度场，计算结果得到试验数据验证，而后又利用数值方法确定了SRC柱的耐火极限，并以试验结果验证了数值分析方法的可靠性。在此基础上，分析了构件长细比、截面高宽比、截面尺寸、截面含钢率、荷载偏心率等参数对SRC柱耐火极限的影响规律。最后对火灾下SRC柱耐火极限的计算方法进行了简化。

蒋东红等[16-18]首先利用有限元方法研究了SRC柱的抗火性能，理论计算结果和试验数据吻合。在此基础上，研究了型钢含钢率、长细比、偏心率和受火时间等参数对标准火灾作用下SRC柱的极限承载力的影响，并分别给出了SRC柱极限承载力与各参数的拟合关系式。最后给出SRC柱极限承载力简化计算公式，计算结果与有限元求解结果接近。

成晓娟、侯进学、张佳[19-21]进行了一系列型钢混凝土轴心受压柱、大偏心受压柱和小偏心受压柱的全过程火灾试验，研究火灾升温段、降温段和火灾后构件的实验现象、温度场分布规律、耐火性能、变形特征和剩余承载力等指标，并利用ANSYS有限元软件建立型钢混凝土轴心受压柱、大偏心受压柱和小偏心受压柱的温度场计算模型和全过程火灾热-力耦合模型，计算结果得到试验数据验证。除此之外，高伟华、李丽丽[22，23]对4个三面受火的SRC柱进行了试验研究，得到其温度场分布、耐火极限、位移-时间曲线等数据。随后利用ABAQUS建立试件的火灾力学模型，应用上述模型，对受拉侧受火和受压侧受火2种情况下的各影响参数对SRC柱耐火极限的影响规律进行分析。在此基础上，回归得到三面受火SRC柱的耐火极限简化计算公式。

关于型钢混凝土常温下粘结滑移性能的研究已较成熟，但是高温下和高温后型钢混凝土粘结滑移性能的研究还很少见。邱栋梁[24]设计了高温下18个SRC柱、高温后18个SRC柱和3个常温对比SRC柱，用以进行型钢混凝土粘结滑移推出试验，分析了高温下和高温后型钢混凝土的粘结滑移机理，考察了升温最高温度等因素对粘结强度和粘结应力-滑移曲线的影响，建立了与温度相关的型钢混凝土粘结滑移本构关系。

多数情况下建筑物在火灾后还要继续使用，研究其在火灾后的力学性能对该类建筑的加固修复和评估具有重要意义。谢福娣[25]对8个过火后的型钢混凝土柱进行抗震性能试验，观察其实验现象和裂缝开展情况，研究了轴压比、含钢率、受火时间等因素对滞回曲线、骨架曲线、等效粘滞阻尼系数、刚度退化规律的影响，分析了火灾后SRC柱的延性、耗能性能等抗震性能。唐跃锋[26]制作17根型钢混凝土柱进行火灾试验，然后对其中部分试件采用外包碳纤维和外粘型钢2种加固处理方式，随后对试件进行承载力试验，观测试件的破坏形态，研究其荷载-变形关系曲线、极限承载力、变形刚度以及不同的加固处理方式对试件承载力的影响。利用有限元软件MSC.MARC/MENTAT建立SRC柱的火灾力学模型，并得到试验验证。基于此模型，研究长细比、偏心率、含钢率等因素对剩余承载力的影响，得到了火灾后SRC柱剩余承载力影响系数简化计算公式。

3.2 型钢混凝土异形柱

单齐云等学者[27-33]制作了9根等肢L形SRC异形柱、9根不等肢L形SRC异形柱、8根T形SRC异形柱和9根十字形SRC异形柱，进行了一系列抗火试验，报道了火灾下试件的测点温度、变形规律、裂缝分布规律等情况。降温后对试件继续进行加载试验，研究各种截面类型异形柱在火灾后的变形性能、剩余承载力、型钢与混凝土之间的粘结滑移性能及抗震性能等力学性能，利用有限元软件ANSYS和ABAQUS建立了试件的温度场和热-力耦合计算模型，与试验数据进行对比。通过验证有效的计算模型继续研究异形柱的火灾后截面特性，并分析了各参数对火灾后SRC异形柱正截面承载力的影响。

周璇等学者[34-37]利用ABAQUS建立T形截面、轴向约束T形截面、十字形截面、轴向约束十字形截面SRC异形柱的火灾力学模型，计算结果得到实验数据验证。用计算模型分析了各参数对上述4种SRC异形柱耐火极限的影响。

王灿灿等学者[38-41]报道了3根L形和16根十字形SRC异形柱在高温下的力学试验，观察试验现象，研究温度场分布和位移-时间曲线，考虑不同荷载比对试件轴向位移和耐火极限的影响。利用ABAQUS建立L形和十字形截面异形柱的热-力耦合计算模型，计算结果和试验数据较吻合。对部分高温自然冷却后的十字形和T形SRC柱继续加载研究其在火灾后的力学性能、抗震性能和破坏形态，分析各参数对型钢混凝土柱剩余承载力的影响。

3.3 约束型钢混凝土柱

Huang等[42]进行了4个轴向约束SRC柱的抗火试验;利用有限元软件SAFIR和自编程序FEMFAN-3D分别建立了轴向约束SRC柱火灾力学模型;应用上述模型分析截面尺寸和荷载比等参数对SRC柱耐火极限的影响规律。

郑婵婵等[43]报道了7根型钢混凝土轴向约束柱的抗火试验结果，利用ABAQUS软件模拟计算了SRC轴向约束柱的温度场和火灾力学性能，并得到试验验证。基于此计算模型，分析了荷载比、轴向约束钢度比、转动约束刚度比、截面尺寸、偏心率、含钢率、混凝土强度、型钢屈服强度、钢筋屈服强度、纵筋配筋率、混凝土保护层厚度等参数对柱轴力、柱竖向位移、柱跨中弯矩、柱耐火极限、柱计算长度系数和柱弯矩增大系数的影响，最终给出SRC约束柱耐火极限的实用计算公式。

李俊华等[44]进行了14个在四面、三面、两面和单面不同受火方式下轴向约束SRC柱的抗火试验，研究不同受火方式和端部约束对柱子温度场分布、轴力、变形等性能的影响。

4 型钢混凝土结构节点的抗火性能研究

从以往研究成果来看，不同的节点形式对结构的耐火极限影响较大，所以非常有必要研究结构节点的抗火性能。

Han等[45]报道了2个SRC梁柱节点的抗火试验，并且建立了有限元分析模型計算节点的抗火性能，计算结果与实验数据吻合较好。通过理论研究发现梁柱线刚度比越大，节点的耐火性能越差。SRC梁柱节点在火灾作用下，型钢与混凝土间的滑移大于钢筋与混凝土间的滑移;型钢翼缘与混凝土间的滑移大于腹板与混凝土间的滑移;梁中型钢与混凝土间的滑移大于柱中型钢与混凝土间的滑移。

高志新[46]对3个SRC柱-RC梁节点进行火灾试验，得到节点区和非节点区的温度场。试件自然冷却之后再做低周反复加载试验，研究其破坏现象和高温后抗震性能。利用ABAQUS建立了SRC柱-RC梁节点的温度场计算模型。

裘哲俊等[47]通过对火灾后经过碳纤维加固和未加固2种情况的SRC梁柱节点进行低周反复试验，对比2种情况下试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力和延性、耗能能力，发现火灾后节点加固可以有效提高其抗震性能。

5 型钢混凝土结构平面框架的抗火性能研究

谭清华[48]制作了十榀SRC柱-RC梁平面框架，研究其在外荷载和全过程火灾作用的试验现象、温度场分布、变形情况、耐火极限和剩余承载力，开发了考虑混凝土高温爆裂、混凝土高温徐变、瞬态热应变等影响的计算程序，用以模拟计算全过程火灾作用后的SRC柱-RC梁平面框架力学性能，模型得到实验验证。基于此模型，分析各参数对火灾下型钢混凝土平面框架柱计算长度系数的影响，给出其简化计算方法。

王广勇等[49]利用ABAQUS建立了3层三跨型钢混凝土平面框架火灾力学计算模型，分析其在9种火灾工况作用下的力学性能和破坏规律。 研究表明，在火灾作用下型钢混凝土平面框架的破坏模式有内柱破坏导致框架破坏、边柱破坏导致框架破坏、混合破坏3种模式。同时提出对于框架结构需注意火灾下抗连续倒塌的设计。

谢福娣和武志鑫等[50，51]进行了SRC柱-SRC梁-RC楼板单层单跨平面框架的全过程火灾力学试验，探究平面框架的温度场分布、耐火性能和火灾后力学性能。利用ABAQUS建立在外荷载和全过程火灾作用下型钢混凝土平面框架的有限元模型，计算结果得到试验数据验证。利用此模型，分析了受火时间、轴压比、梁跨中弯矩等参数对火灾后型钢混凝土平面框架滞回曲线、骨架曲线、延性性能和耗能性能的影响。

6 结论与展望

虽然国内外学者在型钢混凝土结构抗火性能方面已取得丰硕成果，但是有些问题还需要进行更加深入细致的研究，形成系统的型钢混凝土结构抗火设计实用方法。

①研究所用的升降温曲线与实际建筑火灾升降温曲线有一定的出入，应考虑真实火灾特性。一般室内空间100m2左右，而很多公共建筑空间体积较大，大空间、大跨度建筑的火灾特性研究数据匮乏。

②全过程火灾作用下建筑材料性能研究结果数据离散，有的差距较大，需要深入研究。实际结构中建筑构件往往不是单向受力，常常处于多向受力状态，为准确反映建筑结构火灾力学性能，需研究火灾下建筑材料的多轴力学性能。目前关于混凝土和钢材的高温多轴力学性能研究报道极少，有待进一步研究。

③结构火灾试验技术和装置有待改进，以增加实验数据的准确性。

④近年来，超高层建筑不断涌现，很多超高层建筑采用了承载能力更高的巨型型钢混凝土构件。而对于巨型型钢混凝土结构的抗火性能研究还是空白，建议开展相关研究。除此之外，高强型钢混凝土结构、已加固型钢混凝土结构和火灾后型钢凝土结构加固修复研究只见极少的报道，需进一步深入研究。

⑤火灾作用下可能引起建筑物连续倒塌，造成严重后果，而对于火灾下结构倒塌破坏的规律尚缺乏研究，需深入研究火灾下结构连续倒塌机制，为火灾作用下结构抗连续倒塌设计提供参考依据。

⑥现行的抗火设计方法还处于对特定情况的抗火设计作出明确规定的“处方式”阶段，设计方案有时偏保守有时又不安全。结构性能化抗火设计方法基于建筑整体消防安全目标制定解决方案，是一种先进而更加合理的抗火设计方法，虽已取得一定成果，但仍是一个有待研究的课题。

【参考文献】

【1】赵鸿铁，张素梅.组合结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2005.

【2】郑永乾，韩林海，经建生.火灾下型钢混凝土梁力学性能的研究工程[J].工程力学，2008，25（9）：118-125.

【3】董琳琳.火灾中型钢混凝土梁的力学行为研究[D].济南：山东建筑大学，2011.

【4】李智.预制装配式型钢混凝土梁抗火性能研究[D].苏州：苏州科技大学，2018.

【5】王小莉.火灾高温与荷载耦合作用下预应力型钢混凝土简支梁抗弯性能理论分析[D].济南：山东建筑大学，2011.

【6】于德帅.预应力型钢混凝土结构耐火性能试验研究[D].济南：山东建筑大学，2011.

【7】韩建.预应力型钢混凝土梁火灾后的力学性能试验研究[D].济南：山东建筑大学，2011.

【8】李雷.火灾高温作用下预应力型钢混凝土简支梁耐火性能全过程分析[D].济南：山东建筑大学，2012.

【9】李士波.火灾作用后预应力型钢混凝土梁承载性能试验研究与理论分析[D].济南：山东建筑大学，2012.

【10】商圣强.火灾作用下预应力型钢混凝土梁承载性能试验硏究与理论分析[D].济南：山东建筑大学，2012.

【11】陆洲导，余江滔，徐朝晖.钢骨混凝土抗火性能非线性分析[J].同济大学学报（自然科学版），2006，34（11）：1445-1450.

【12】徐朝晖.钢骨混凝土柱抗火性能试验与理论研究[D].上海：同济大学，2004.

【13】郑永乾，韩林海.钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法（I）[J].建筑钢结构进展，2006，8（2）：22-29.

【14】郑永乾，韩林海.钢骨混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法（II）[J].建筑钢结构进展，2006，8（3）：24-33.

【15】郑永乾，杨有福，韩林海.用ANSYS分析钢-混凝土组合柱的温度场[J].工业建筑，2006，36（8）：74-77.

【16】蒋东红，李国强，王世伟，等.钢骨混凝土轴压柱抗火极限承载力计算[J].钢结构，2005，20（6）：87-91.

【17】蒋东红，李国强，张彬.钢骨混凝土偏压柱抗火极限承载力分析研究[J].建筑钢结构进展，2006，8（2）：55-62.

【18】蒋东红，王世伟，郑浩，等.火灾下钢骨混凝土柱极限承载力简化计算方法[J].工业建筑，2006（36）：562-566.

【19】成晓娟.轴压型钢混凝土（SRC）柱抗火全过程试验研究[D].苏州：苏州科技学院，2010.

【20】侯进学.大偏心荷载作用下型钢混凝土（SRC）柱抗火全过程试验研究与理论分析[D].苏州：苏州科技学院，2010.

【21】张佳.小偏压型钢混凝土（SRC）柱抗火全过程试验研究[D].苏州：苏州科技学院，2010.

【22】高伟华.大偏心荷载作用下3面受火SRC柱耐火极限研究[D].苏州：苏州科技学院，2011.

【23】李丽丽.小偏心荷载用用下三面受火型钢混凝土（SRC）柱耐火极限研究[D].苏州：苏州科技学院，2011.

【24】邱栋梁.火灾高温及高温后型钢混凝土粘结滑移性能研究[D].宁波：宁波大学，2013.

【25】谢福娣.火灾后型钢混凝土柱抗震性能试验研究[D].北京：北京建筑大学，2014.

【26】唐跃锋.火灾后型钢混凝土柱性能退化与加固修复研究[D].宁波：宁波大学，2012.

【27】单齐云.L形型钢混凝土异形柱抗火性能的试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2011.

【28】杨志新.T形型钢混凝土异形柱抗火性能的试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2012.

【29】高云菲.十字形型钢混凝土异形柱抗火性能试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2012.

【30】陈锦波.不等肢L形型钢混凝土异形柱抗火性能试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2013.

【31】杨超.T形型钢混凝土异形柱火灾后的抗震性能试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2016.

【32】蔡维沛.火灾后L形型钢混凝土柱抗震性能试验研究[D].青岛：青岛理工大学，2016.

【33】高立堂，蔡维沛，李晓东.火灾后型钢混凝土异形柱正截面承载力非线性分析[J].建筑钢结构进展，2018，20（3）：58-71.

【34】周璇.T形截面型钢混凝土异形柱耐火极限研究[D].苏州：苏州科技学院，2012.

【35】赵月，毛小勇.十字形截面型钢混凝土异形柱抗火性能分析[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2012，25（4）：50-53.

【36】刘登林.约束十字形截面SRC异形柱抗火性能研究[D].苏州：苏州科技学院，2015.

【37】徐浩然.轴向约束T形截面型钢混凝土异形柱抗火性能研究[D].苏州：苏州科技学院，2015.

【38】王灿灿.型钢混凝土L形柱耐火性能的试验研究[D].济南：山东建筑大学，2016.

【39】祝德彪.型钢混凝土十字形柱耐火极限的试验研究[D].济南：山东建筑大学，2016.

【40】许德建.高温后型钢混凝土T形柱力学性能的试验研究[D].济南：山东建筑大学，2017.

【41】刘福振.高温后型钢混凝土十字形柱抗震性能的试验研究[D].济南：山东建筑大学，2019.

【42】Huang Z F， Tan K H， Phng G H. Axial restraint effects on the fire resistance of composite columns encasing I-section steel[J]. Journal of Constructional Steel Research，2007，63（4）：437-447.

【43】郑蝉蝉.型钢混凝土约束柱耐火性能研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2015.

【44】李俊华，钱钦，章子华，等.非均匀受火下约束型钢混凝土柱力学性能研究[J].土木工程学报，2016，49（4）：57-68.

【45】L.-H. Han， Y.-Q. Zheng， Z. Tao. Fire performance of steel-reinforced concrete beam–column joints[J]. Magazine of Concrete Research，2009，61（7）：409-428.

【46】高志新.火災后SRC柱-RC梁节点滞回性能试验研究[D].北京：北京建筑大学，2014.

【47】裘哲俊，李俊华，池玉宇，等.常温及火灾后型钢混凝土梁柱节点加固试验研究[J].建筑结构，2017，47（9）：33-39.

【48】谭清华.火灾后型钢混凝土柱、平面框架力学性能研究[D].北京：清华大学，2012.

【49】王广勇，刘广伟，李玉梅.火灾下型钢混凝土平面框架的破坏机理[J].工程力学，2012，29（12）：156-162.

【50】谢福娣，武志鑫，刘栋栋.火灾后型钢混凝土平面框架抗震性能有限元分析[J].北京建筑工程学院学报，2013，29（3）：35-39.

【51】武志鑫.火灾后型钢混凝土平面框架力学性能分析[D].北京：北京建筑大学，2013.