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摘要：钢管混凝土现今在高层建筑中应用越来越广泛，这篇文章简要阐述了钢管混凝土的优点，以及从抗火研究内容和抗火设计方法几方面来讨论高层钢管混凝土的抗火，并给出国外抗火设计的新方法，希望为该结构的进一步抗火研究奠定基础。
关键词：钢管混凝土；抗火；设计方法；国外新趋势
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我们进入21世纪以来，钢管混凝土已被大家熟知。这种具有良好性能的新技术颇受广大学者以及工程师们的喜爱。
1 钢管混凝土柱的优点：
⑴承载能力高钢管混凝土柱轴心受压时，混凝土外层钢管对其产生紧箍效应，其内部核心混凝土的强度有很大提高，钢管也发挥了自身的强度作用，所以柱的抗压承载力高。
⑵良好的塑性及韧性如采用单一的混凝土柱进行受压，常属于脆性破坏，而钢管混凝土的管内混凝土受钢管的约束作用，使混凝土的弹性工作段增大，且破坏时有很大的塑性变形，而且这种构件在水平荷载的反复作用下显示出良好的延性。
⑶工程耐腐蚀性优于纯钢结构钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。
⑷工程造价降低，建筑物的使用面积增大由于钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，同时用于防腐的费用减少，因此相应降低地基基础、 主体等多项分部的工程造价。除此之外,因为钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱要减少 60 %以上，截面尺寸也比钢柱小，所以扩大了建筑物的使用空间和面积。
2抗火研究内容
在我国从20世纪80年代后期，钢管混凝土的应用就进入了高层领域，在实际的应用中更是发现了上述的优点，所以发展十分迅速。高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所重视，越来越显示出它在高层和超高层建筑中的优势。由于高层结构的抗火问题一直是受到关注的，所以高层建筑钢管混凝土的抗火问题就值得研究。以下介绍抗火研究的内容。
2.1材料特性的研究
钢管混凝土所用材料无非是钢与混凝土这两类材料，与抗火有关的材料特性主要包括弹性模量、强度（屈服强度、极限强度）、应力—应变本构关系及热传导系数、热膨胀系数、密度和比热等热工参数。因此确定钢和混凝土的高温性能（物理特性和力学性能）是解决火灾下钢结构的结构性能问题的必要条件。
2.2单个构件抗火性能研究
由于钢结构抗火较混凝土结构差，所以主要对钢结构抗火性能进行理论和试验研究，早期主要是以单个构件为研究对象。钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析，采用高温下的结构材料特性进行，研究对象包括钢梁、钢柱、节点等。目前国内外研究者基本都采用数值模拟分析钢构件在火灾中的反应，结果表明：热膨胀是影响钢构件抗火性能的一个重要因素之一，其影响的大小与构件两端的约束条件有关系，对应钢梁，梁端铰接的梁耐火时间最长。
2.3结构整体抗火性能研究
钢结构的材料性能随火灾升温发生非线性变化，另外在温度内力，材料几何非线性，应力非线性等的影响下，使得火灾下整体钢结构的全过程分析很困难。但是要进行整体结构的抗火设计，就必须进行结构整体火灾反应分析，近期主要利用成熟的商业有限元软件包（ANSYS、ABAQUS等）进行数值模拟。
3结构抗火设计的方法
目前通常采用的结构抗火设计方法主要有三种：
3.1 基于试验的结构抗火设计方法
这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件在标准升温条件和规定荷载分布下的耐火试验，确定在采取不同的防火措施后构件的耐火极限。建筑物的耐火等级大小、构件在建筑物中所处的位置以及构件的重要性决定了构件所需的耐火极限大小。最后设计构件的截面尺寸，根据试验所确定的构件实际耐火极限大小来校核，若不满足耐火极限要求，则需重新设计构件，直至满足耐火极限要求。我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》采用的就是这种设计方法。这种抗火设计方法的优点是简单直观，便于应用。但试验费用昂贵，且缺乏理论性和合理性，不能从根本上考虑材料性能随温度的劣化过程，不能模拟结构的端部约束情况和各种荷载形式。
3.2 基于计算的结构抗火设计方法
随着理论基础和计算机技术的高速发展，己有可能实现结构抗火的数值计算。采用数值计算方法进行结构抗火研究可以更真实地模拟实际情况中结构的火灾力学性能。从20世纪70年代，国际上开始研究基于计算的结构抗火设计方法，这些方法可以考虑结构的真实受力和约束情况。目前，很多学者都开始采用基于计算的构件抗火设计方法，主要是经典算法和有限元计算方法。考虑构件的截面尺寸、受力形式与受力大小、构件的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论和结构理论通过分析确定构件的抗火能力，更符合客观实际，是对传统方法中结构抗火能力确定进行的改进方法。
3.3 性能化结构抗火设计方法
由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求；同时考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。
以上3种方法中基于试验的抗火设计方法基本上已不再使用，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的结构抗火设计
方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前抗火设计的整体发展趋势。性能化结构抗火设计方法考虑火灾随机性，目前研究和工程实践还很少，是新的研究课题。
4国外钢—混凝土结构抗火设计的新方法
国外抗火设计的一种趋势是以设计火灾的温度－时间曲线为基础的抗火设计。这种方法的关键是找出导致结构破坏的火灾效应的极限值，对于给定的受外荷载作用的构件，其火灾效应随不同火灾密度而变化。
国际标准化组织(ISO-834)建议的建筑构件抗火试验曲线，表达式如下：
式中：t为时间(min)； Tg为t时刻的温度；Tg（0）为初始温度。
加拿大国家标准曲线CAN4-S101如下：
式中t以小时计。
美国和加拿大采用的为ASTM-E119标准升温曲线，可近似地用下式表示：
欧洲规范采用的建筑室内火灾标准升温曲线为ISO-834标准升温曲线，同时欧洲规范对烃类可燃物火灾另建议了一条升温曲线为：
式中t以秒計。
下图为ISO-834、CAN4-S101、烃类可燃物火灾、ASTM-E119火灾升温曲线的对比示意图。
图一 四种标准升温曲线
5结语
该文简要介绍了一些钢管混凝土抗火研究所遇到的一些问题，希望以此可以为后来作进一步的抗火研究奠定一些基础。管内核心混凝土相对钢材具有较大的热容量, 能吸收大量的热量。所以在遭受火灾时, 外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 仍具有一定的承载力, 因而增加了钢管的耐火时间,相对传统钢结构可以大量节约防火涂料。所以说由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势，使这种结构还是具有较好的耐火性能。
参考文献
[1] 韩林海.钢管混凝土结构.北京:科学出版社,2000
[2] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京: 科学出版社,2001
[3] 钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社,2003
[4] 过镇海、李卫.混凝土耐热力学性能的试验研究总结.清华大学土木工程系，1991
[5] 钟善桐.高层钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社,1999
[6] 李国强、蒋首超.钢结构抗火计算与设计.中国建筑工业出版社，1999
[7] 徐蕾.方钢管混凝土柱耐火性能及抗火设计方法研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2002
[8] A.H.Varma,J.Srisa-Ard,S.Hong.Analytical Investigations of the Fire
Behavior of Concrete Filled Steel Tube(CFT)Columns. Proceedings of the 2004 Structures Congress-Building on the Past:Securing the Future.2004:1171~1181
关键词：钢管混凝土；抗火；设计方法；国外新趋势
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
随着我们进入21世纪以来，钢管混凝土已被大家熟知。这种具有良好性能的新技术颇受广大学者以及工程师们的喜爱。
1 钢管混凝土柱的优点：
⑴承载能力高钢管混凝土柱轴心受压时，混凝土外层钢管对其产生紧箍效应，其内部核心混凝土的强度有很大提高，钢管也发挥了自身的强度作用，所以柱的抗压承载力高。
⑵良好的塑性及韧性如采用单一的混凝土柱进行受压，常属于脆性破坏，而钢管混凝土的管内混凝土受钢管的约束作用，使混凝土的弹性工作段增大，且破坏时有很大的塑性变形，而且这种构件在水平荷载的反复作用下显示出良好的延性。
⑶工程耐腐蚀性优于纯钢结构钢管中浇注混凝土使钢管的外露面积减少，受外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。
⑷工程造价降低，建筑物的使用面积增大由于钢管砼柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，同时用于防腐的费用减少，因此相应降低地基基础、 主体等多项分部的工程造价。除此之外,因为钢管砼柱截面比钢筋混凝土柱要减少 60 %以上，截面尺寸也比钢柱小，所以扩大了建筑物的使用空间和面积。
2抗火研究内容
在我国从20世纪80年代后期，钢管混凝土的应用就进入了高层领域，在实际的应用中更是发现了上述的优点，所以发展十分迅速。高层建筑中采用钢管混凝土结构已为广大工程技术界所重视，越来越显示出它在高层和超高层建筑中的优势。由于高层结构的抗火问题一直是受到关注的，所以高层建筑钢管混凝土的抗火问题就值得研究。以下介绍抗火研究的内容。
2.1材料特性的研究
钢管混凝土所用材料无非是钢与混凝土这两类材料，与抗火有关的材料特性主要包括弹性模量、强度（屈服强度、极限强度）、应力—应变本构关系及热传导系数、热膨胀系数、密度和比热等热工参数。因此确定钢和混凝土的高温性能（物理特性和力学性能）是解决火灾下钢结构的结构性能问题的必要条件。
2.2单个构件抗火性能研究
由于钢结构抗火较混凝土结构差，所以主要对钢结构抗火性能进行理论和试验研究，早期主要是以单个构件为研究对象。钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析，采用高温下的结构材料特性进行，研究对象包括钢梁、钢柱、节点等。目前国内外研究者基本都采用数值模拟分析钢构件在火灾中的反应，结果表明：热膨胀是影响钢构件抗火性能的一个重要因素之一，其影响的大小与构件两端的约束条件有关系，对应钢梁，梁端铰接的梁耐火时间最长。
2.3结构整体抗火性能研究
钢结构的材料性能随火灾升温发生非线性变化，另外在温度内力，材料几何非线性，应力非线性等的影响下，使得火灾下整体钢结构的全过程分析很困难。但是要进行整体结构的抗火设计，就必须进行结构整体火灾反应分析，近期主要利用成熟的商业有限元软件包（ANSYS、ABAQUS等）进行数值模拟。
3结构抗火设计的方法
目前通常采用的结构抗火设计方法主要有三种：
3.1 基于试验的结构抗火设计方法
这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件在标准升温条件和规定荷载分布下的耐火试验，确定在采取不同的防火措施后构件的耐火极限。建筑物的耐火等级大小、构件在建筑物中所处的位置以及构件的重要性决定了构件所需的耐火极限大小。最后设计构件的截面尺寸，根据试验所确定的构件实际耐火极限大小来校核，若不满足耐火极限要求，则需重新设计构件，直至满足耐火极限要求。我国现行的《高层民用建筑设计防火规范》和《建筑设计防火规范》采用的就是这种设计方法。这种抗火设计方法的优点是简单直观，便于应用。但试验费用昂贵，且缺乏理论性和合理性，不能从根本上考虑材料性能随温度的劣化过程，不能模拟结构的端部约束情况和各种荷载形式。
3.2 基于计算的结构抗火设计方法
随着理论基础和计算机技术的高速发展，己有可能实现结构抗火的数值计算。采用数值计算方法进行结构抗火研究可以更真实地模拟实际情况中结构的火灾力学性能。从20世纪70年代，国际上开始研究基于计算的结构抗火设计方法，这些方法可以考虑结构的真实受力和约束情况。目前，很多学者都开始采用基于计算的构件抗火设计方法，主要是经典算法和有限元计算方法。考虑构件的截面尺寸、受力形式与受力大小、构件的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论和结构理论通过分析确定构件的抗火能力，更符合客观实际，是对传统方法中结构抗火能力确定进行的改进方法。
3.3 性能化结构抗火设计方法
由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求；同时考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。
以上3种方法中基于试验的抗火设计方法基本上已不再使用，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的结构抗火设计
方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前抗火设计的整体发展趋势。性能化结构抗火设计方法考虑火灾随机性，目前研究和工程实践还很少，是新的研究课题。
4国外钢—混凝土结构抗火设计的新方法
国外抗火设计的一种趋势是以设计火灾的温度－时间曲线为基础的抗火设计。这种方法的关键是找出导致结构破坏的火灾效应的极限值，对于给定的受外荷载作用的构件，其火灾效应随不同火灾密度而变化。
国际标准化组织(ISO-834)建议的建筑构件抗火试验曲线，表达式如下：
式中：t为时间(min)； Tg为t时刻的温度；Tg（0）为初始温度。
加拿大国家标准曲线CAN4-S101如下：
式中t以小时计。
美国和加拿大采用的为ASTM-E119标准升温曲线，可近似地用下式表示：
欧洲规范采用的建筑室内火灾标准升温曲线为ISO-834标准升温曲线，同时欧洲规范对烃类可燃物火灾另建议了一条升温曲线为：
式中t以秒計。
下图为ISO-834、CAN4-S101、烃类可燃物火灾、ASTM-E119火灾升温曲线的对比示意图。
图一 四种标准升温曲线
5结语
该文简要介绍了一些钢管混凝土抗火研究所遇到的一些问题，希望以此可以为后来作进一步的抗火研究奠定一些基础。管内核心混凝土相对钢材具有较大的热容量, 能吸收大量的热量。所以在遭受火灾时, 外部钢管虽然升温较快, 但内部混凝土升温滞后, 仍具有一定的承载力, 因而增加了钢管的耐火时间,相对传统钢结构可以大量节约防火涂料。所以说由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作的优势，使这种结构还是具有较好的耐火性能。
参考文献
[1] 韩林海.钢管混凝土结构.北京:科学出版社,2000
[2] 赵鸿铁.钢与混凝土组合结构.北京: 科学出版社,2001
[3] 钟善桐.钢管混凝土结构.清华大学出版社,2003
[4] 过镇海、李卫.混凝土耐热力学性能的试验研究总结.清华大学土木工程系，1991
[5] 钟善桐.高层钢管混凝土结构.黑龙江科学技术出版社,1999
[6] 李国强、蒋首超.钢结构抗火计算与设计.中国建筑工业出版社，1999
[7] 徐蕾.方钢管混凝土柱耐火性能及抗火设计方法研究.哈尔滨工业大学博士学位论文.2002
[8] A.H.Varma,J.Srisa-Ard,S.Hong.Analytical Investigations of the Fire
Behavior of Concrete Filled Steel Tube(CFT)Columns. Proceedings of the 2004 Structures Congress-Building on the Past:Securing the Future.2004:1171~1181