钢混凝土组合柱抗火计算方法

钢-混凝土组合柱

抗火计算方法

·型钢混凝土（SRC）柱·钢管混凝土（CFST）柱4/17/20262第一节型钢混凝土柱型钢混凝土柱是由于内部钢骨（如工字钢、钢管等）与外包混凝土形成整体，其受力性能优于钢和混凝土的简单叠加。图9.1型钢混凝土柱典型截面形式4/17/20261.1“火灾有效荷载”的确定右图为按ISO-834规定的标准升温曲线升温作用下型钢混凝土轴心受压构件绕强轴弯曲时耐火极限（tR）随荷载的变化规律。4/17/20264

根据国家荷载标准GB50009-2001，建筑结构的设计应根据使用过程中可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行荷载组合，并取各自的最不利组合进行设计。设型钢混凝土柱的抗力为R，则其承载能力状态表示为S=R若近似将可变荷载效应控制的组合情况下荷载分项系数的平均值为1.3，永久荷载效应控制的平均值取为1.375，取较小值并根据上式可近似导出钢管混凝土柱的火灾有效荷载表达式SL=

4/17/20261.2重要影响参数在火灾有效荷载作用下，影响型钢混凝土柱耐火极限的因素包括：截面周长（C）、构件长细比（λ）、截面含钢率（α）、截面配筋率（ρ）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（fy）、钢筋屈服强度（fyb）、混凝土强度（fcu）、截面高宽比（β）等。

4/17/20264/17/20267

为便于分析，定义火灾下型钢混凝土柱承载力的影响系数kt表达式如下：kt=

式中，Nu和Nu(t)分别为常温下和火灾作用下型钢混凝土柱的极限承载力。影响火灾下型钢混凝土柱承载力的可能因素有：截面周长（C）、构件长细比（λ）、受火时间（t）、截面含钢率（α）、截面配筋率（ρ）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（fy）、钢筋屈服强度（fyb）、混凝土强度（fcu）和截面高宽比（β）等。

4/17/2026下面通过典型算例来分析各参数火灾作用下对kt的影响：

9.14截面尺寸对的影响

4/17/20264/17/20269.22截面高宽比对的影响(a)绕强轴弯曲(b)绕弱轴弯曲

4/17/202613由图9.14至9.22所示，截面周长（C）、构件长细比（λ）、受火时间（t）是影响火灾下型钢混凝土压弯构件承载力的主要因素，截面含钢率（α）、截面配筋率（ρ）、荷载偏心率（）钢骨屈服强度（fy）、钢筋屈服强度（fyb）、混凝土强度（fcu）和截面高宽比（β）等参数对型钢混凝土压弯构件承载力影响系数的影响较小。

4/17/20261.3耐火极限实用计算方法在对大量数值计算结果整理分析的基础上，可回归出以C，λ和t为参数的标准火灾作用下型钢混凝土柱承载力影响系数kt的简化计算公式。在工程常用的参数范围内，kt可用下式计算：kt=其中，a=a1/(1.03C0-0.21);b=b1·(8.79C0+5.85)/(-1.43+14.85C0+1);a1=9.9-9.27·exp(-0.2);b1=1.01-0.23·exp(-0.78);C0=C/2000;λ0=λ/40;t0=t/300.

4/17/2026右图为型钢混凝土柱承载力影响系数简化计算结果与数值计算结果的比较。可见简化结果与数值计算结果符合较好。4/17/2026

根据《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001或《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082-97计算出型钢混凝土压弯构件的承载力后，将其乘以系数kt值，即得压弯构件在标准火灾作用下的承载力：Nu(t)=ktNu为使型钢混凝土柱满足耐火极限要求，应限制其火灾荷载比n（即火灾时作用在柱上的荷载与其常温极限承载力的比值），且火灾荷载比不应超过火灾下承载力影响系数kt。因此可得到对应一定火灾荷载比下的耐火极限简化确定公式：tR=300[·（-1）]

4/17/2026第二节钢管混凝土柱目前工程中最常见的钢管混凝土柱横截面形式主要是圆形、方形和矩形。图9.25常见的钢管混凝土柱横截面形式

(a)圆形；(b)方形；(c)矩形4/17/20262.1设计原理2.1.1耐火极限在确定了钢材和核心混凝土的热工参数及高温下“力-热本构关系”模型的基础上，采用数值方法可计算出钢管混凝土构件截面的温度分布以及耐火极限。在火灾情况下，钢管混凝土柱承受的荷载对其耐火极限有很大影响。与火灾下作用在型钢混凝土柱上的“火灾有效荷载”类似，火灾下钢管混凝土柱有效荷载取为0.77R，R为钢管混凝土柱的抗力。4/17/2026分析结果表明，在火灾有效荷载作用下，截面尺寸（C）、长细比（λ）和防火保护层厚度（α）是影响钢管混凝土构件耐火极限的主要因素，其他参数影响较小。

下面以矩形钢管混凝土为例进行简要说明：9.26截面周长对耐火极限的影响9.27长细比对耐火极限的影响9.28防火保护层厚度对耐火极限的影响4/17/2026

为便于分析，定义火灾下钢管混凝土柱承载力的影响系数kt表达式如下：kt=式中，Nu和Nu(t)分别为常温下和火灾作用下型钢混凝土柱的极限承载力。对不同参数时钢管混凝土的kt进行计算分析，得出相同参数下圆形、方形和矩形钢管混凝土柱承载力系数kt的影响规律大致相同。下面以矩形钢管混凝土柱为例，说明构件截面尺寸、构件长细比和受火时间对kt的影响规律。

4/17/20269.29截面周长对的影响

9.30构件长细比对的影响

4/17/2026

2.1.2防火保护层对于钢管混凝土柱的防火保护，常采用现场施工防火保护层的方法，最常用的防火保护材料有水泥砂浆和厚涂型钢结构防火涂料。影响钢管混凝土柱防火保护层厚度（α）的主要参数包括：火灾荷载比（n）、耐火极限（tR）、截面尺寸（C）和长细比（λ）。下面以矩形钢管混凝土柱为例说明各参数对其防火保护层厚度的影响规律。4/17/20264/17/2026

2.1.3火灾后的剩余承载力图9-35为考虑火灾（ISO-834标准火灾曲线）作用与否时钢管混凝土压弯构件典型的N-μm关系曲线。其中，Nu和μm分别为不考虑火灾作用时构件的极限承载力及其对应的挠度；Nu(t)和μm(t)则分别为考虑火灾作用影响时构件的极限承载力及其对应的挠度。

9.35典型的N-关系曲线

4/17/2026火灾作用时对圆钢管混凝土柱和方、矩形钢管混凝土柱承载力的影响规律基本类似。图9-36为λ=20情况下火灾持续时间t对钢管混凝土压弯构件承载力N-M相关关系的影响。

计算条件：钢管截面外直径或外边长为600mm，α=0.1，Q345钢，C40混凝土。

9.36钢管混凝土构件的N-M相关曲线(a)圆钢管混凝土；(b)方钢管混凝土(a)(b)4/17/2026影响火灾后的钢管混凝土压弯构件剩余承载力的可能因素主要有：钢材和混凝土强度（fy，fcu）、含钢率（α）、截面尺寸(D或B)、长细比（λ）、荷载偏心率（e/r）、受火时间（t）、防火保护层厚度（α）和高宽比（β）（针对矩形钢管混凝土）。通过典型算例分析上述各参数对火灾后钢管混凝土压弯构件剩余承载力Nu(t)的影响规律。定义火灾作用对钢管混凝土构件承载力影响系数kr：kr=式中，Nu和Nu(t)分别为常温下和火灾作用下构件的极限承载力。

4/17/2026参数分析结果表明，火灾作用对钢管混凝土构件的承载力影响较大，无论是圆形、方形还是矩形钢管混凝土，各参数对kr影响规律基本相似，主要影响因素是受火时间（t）、截面尺寸（D或B）、长细比（λ）和防火保护层厚度（α）

9.37构件截面尺寸对的影响

4/17/2026火灾作用对钢管混凝土构件的刚度也有影响。定义火灾后钢管混凝土抗弯刚度影响系数kB：kB=式中，Kc(t)和Kc分别为火灾后和常温下钢管混凝土的抗弯刚度。研究结果表明，在ISO-834标准火灾作用下，影响kB的参数主要是火灾持续时间、截面尺寸和含钢率。

4/17/2026299.40抗弯刚度系数与火灾持续时间的关系(a)截面尺寸；(b)含钢率(a)(b)4/17/20262.2耐火极限实用计算方法如前所述，构件截面尺寸（如横截面周长C）越大、构件长细比（λ）、和受火时间（t）是影响钢管混凝土柱火灾下承载力影响系数kt的最主要因素，因此，在大规模参数分析结果的基础上，以这三个参数为基本变量，通过回归分析的方法推导出kt的数学表达式。4/17/2026主要给定钢管混凝土构件的横截面尺寸、长细比和火灾持续时间，即可利用式（9-12）方便的计算出火灾下构件的极限承载力影响系数kt，进而利用下式确定火灾作用下构件的承载力：Nu(t)=kt·Nu（9-13）其中，Nu和Nu(t)分别为钢管混凝土柱在常温下和火灾下的极限承载力。因此，火灾下为了使裸钢管混凝土满足耐火极限要求，其内力应满足如下条件，即N≤Nu(t)其中，Nu(t)按式（9-13）计算。4/17/20262.3防火保护层厚度计算钢管混凝土柱防火应根据设计要求对其钢管采用喷涂防火涂料或其它有效外包覆防火措施，其耐火等级及耐火极限应满足国家有关规范的要求。当保护层为厚土型钢结构防火涂料时，防火涂料性能应符合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》CECS24：90和国家标准《钢结构防火涂料》GB14907—2002的有关规定。基于数值计算结果，提出按规范ISO-834或GB/T-1999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，计算结果与数值计算和实验结果均基本吻合。4/17/20262.4火灾后剩余承载力计算如前所述，影响火灾后裸钢管混凝土柱承载力影响系数kr的因素主要是：受火时间（t）、截面尺寸（例如横截面周长C）和长细比（λ）。在大规模参数分析结果的基础上，以这三个参数为基本变量，通过回归分析的方法推导出kr的数学表达式。4/17/20262.5钢管混凝土柱防火构造措施火灾作用下，核心混凝土中的自由水和分解水会发生蒸发现象。对实验现象的观测结果表明，为了保证核心混凝土中水蒸气的及时散发，保证结构的安全工作，在钢管混凝土柱上设置排气孔是必要的。根据规程DBJ13-51-2003，每个楼层的柱均应设置直径为20mm的排气孔，其位置宜位于柱与楼板相交位置上方或下方100mm处，并沿柱身反对