基于欧洲规范的可拆卸钢-混凝土组合梁火灾条件下塑性抗弯承载力设计方法

《Journal of Building Engineering》：Eurocode-based design method to evaluate the plastic bending moment capacity of demountable steel-concrete composite beams in the fire situation

　　

在建筑行业亟需推动可持续性（sustainability）与循环性（circularity）的背景下，可拆卸钢-混凝土组合梁通过实现建筑拆除过程中结构构件的回收与再利用，为降低碳足迹提供了一种有前景的解决方案。然而，确保其实际可行性需要深入研究该类构件在常温及火灾条件下的力学行为。本研究提出了一种新型分析方法，用于计算采用可拆卸抗剪连接件的钢-混凝土组合梁在火灾暴露下的塑性抗弯承载力。该方法以本工作详细阐述的热-力耦合有限元模型（thermo-mechanical finite element model）为基础。数值模型通过输入本研究框架内进行的推出试验（push-out tests）所获得的特定荷载-滑移曲线，实现了对高温下可拆卸抗剪连接件真实力学性能的表征。此外，该数值模型通过与全尺寸梁试验结果的对比验证，显示出对可拆卸钢-混凝土组合梁在常温和火灾条件下抗弯行为的高度准确表征。

所提出的计算算法以先前常温设计方法为起点，通过塑性设计途径实现梁在火灾工况下极限抗弯承载力的计算，将现行EN 1994-1-2规范中设计规则的适用范围扩展至可拆卸抗剪连接。为验证所开发分析方法的可靠性，进一步将其应用于评估所研究钢-混凝土组合梁在不同标准火灾作用时间下的抗弯承载力，提供了准确且可靠的预测结果。

## 研究背景与问题

建筑与施工行业在2024年约占全球CO₂排放量的37%，其中至少10%的排放源自钢材、水泥和玻璃等建筑材料的生产。因此，建筑材料和构件的再利用对于降低相关碳足迹具有显著潜力。钢-混凝土组合梁通过使各材料高效抵抗其最擅长的应力形式——混凝土抗压、钢材抗拉——而具有重要结构优势。然而，传统抗剪连接件（通常为焊接于钢梁上翼缘的栓钉）无法在服役期结束时实现混凝土板与钢梁的分离，这限制了组合构件的可持续性。为克服这一问题，可拆卸抗剪连接件已成为日益受关注的研究课题。

可拆卸抗剪连接件的研究始于近五十年前，但近年来知识积累显著加速。早期研究包括Dallam以及Marshall等学者对可拆卸钢-混凝土混合梁连接的探索，但其研究有限，仅得出连接件在特定荷载范围内无滑移的结论。此后，Dedic与Klaiber测试了完全可拆卸的抗剪连接件；Sedlacek等设计了通过附加结构螺栓连接于钢梁的预制板连接；Moynihan和Allwood以及Lam等则进行了采用不同螺栓连接件的钢-混凝土组合梁抗弯试验，证明其行为可与焊接栓钉组合梁媲美。近期数值与分析研究继续推进该领域，但此类创新连接系统的火灾性能迄今尚未得到表征。

传统焊接栓钉表现出刚性-塑性行为，达到最大抗剪承载力后 secrets.6 mm时被归类为延性连接件。EN 1994-1-1规范提供了确定全剪切连接或部分剪切连接下塑性抗弯承载力的方法，但仅适用于刚性-塑性连接件。对于非刚性-塑性行为连接件，规范仅在完全剪切连接时推荐弹性分析，否则无法应用现行设计规则，阻碍了替代型抗剪连接件的使用。为此，在卢森堡大学主导的REDUCE研究项目框架内，Kozma等提出了一种用于确定新型非线性行为可拆卸抗剪连接件在常温下混凝土板中压力N_c的通用算法。

为进一步理解这些可拆卸抗剪连接件在火灾条件下的性能，本文作者在西班牙瓦伦西亚理工大学ICITECH研究所主导的FIREDUCE后续研究项目中，开展了系统的升温试验、数值模拟和分析研究。项目研究了两种可拆卸螺栓连接件：完全可拆卸的"Cylinder系统"（P3）和部分可拆卸的"Coupler系统"（P15）。基于该项目获得的试验结果，包括高温推出试验和全尺寸梁抗弯试验，本工作开发并验证了数值模型和分析方法，为从业者提供了可拆卸抗剪连接件钢-混凝土组合梁火灾设计的工具。

## 主要技术方法

研究人员采用非线性有限元分析软件ABAQUS建立热-力耦合数值模型。常温模型中，钢梁和混凝土板采用C3D8R单元（8节点六面体减缩积分单元），网格尺寸经敏感性分析确定为50 mm。材料本构方面，钢材采用Menegotto等提出的模型，混凝土采用混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity, CDP）；抗剪连接件通过"wire feature"单元模拟，其非线性行为基于常温推出试验获得的荷载-滑移曲线。火灾模型则需进行顺序耦合的热分析（DC3D8单元）和后续热-力分析，热边界条件依据EN 1991-1-2设定，采用ISO-834标准升温曲线，考虑对流（火灾暴露面25 W/(m2·K)、非暴露面4 W/(m2·K)）和辐射传热机制，并采用"cavity radiation"选项处理钢梁与矿棉保温层形成的空腔辐射；热-力分析中，连接件高温性能通过试验获得的温度相关荷载-滑移曲线输入。

分析方法方面，研究人员以Kozma等提出的常温设计算法为基础，将其扩展至火灾条件。算法核心是通过温度折减后的材料强度和连接件承载力，确定混凝土板中的压力N_c,θ，再通过截面应力平衡求得塑性抗弯承载力M_pl,θ,η。

## 研究结果

**数值模型开发与验证**

在常温验证部分，数值模型对FIREDUCE-RT-P3、FIREDUCE-RT-P15以及卢森堡大学REDUCE项目试验的复现显示，极限荷载平均相对误差低于3%（标准差3.56%），且偏于安全；荷载-位移曲线、荷载-滑移曲线以及钢梁跨中截面应变演化均与试验结果吻合良好，证明模型能可靠表征可拆卸连接件组合梁的抗弯行为。

在火灾验证部分，热分析获得的温度场与试验热电偶测量结果对比显示，除混凝土板顶面及钢梁腹板特定位置外，各关键位置温度预测具有足够精度。热-力分析得到的位移-时间曲线与试验结果对比，破坏时间预测相对误差低于5%（平均+1.68%），证实了模型对火灾条件下组合梁抗弯行为的准确复现能力。需要指出的是，由于此类采用可拆卸抗剪连接件的组合梁为新型结构形式，文献中尚无其他火灾试验可供参考。

**分析方法的提出与验证**

基于验证后的数值模型，研究人员提出了火灾条件下塑性抗弯承载力的计算算法，主要步骤包括：（1）依据EN 1994-1-2第4.3.4.2.2(6)条和第4.3.4.2.5(2)条确定钢梁（θ_a）、连接件（θ_b）和混凝土板（θ_c）的温度；（2）查表获得各材料的温度折减系数（k_y,θ, k_v,θ, k_c,θ）；（3）按Kozma等方法计算常温下连接件设计承载力P_Rd，其中采用6个连接件（n_c=6）和余弦滑移分布函数，端部滑移s₁=6 mm；（4）按式P_θ,Rd = min(k_v,θ·P_Rd, k_c,θ·k_v,θ·P_Rd)计算火灾下连接件承载力，并确定混凝土板压力N_c,θ；（5）通过截面应力平衡求得M_pl,θ,η；（6）必要时按附录E.1(4)修正混凝土压应力块。

该方法的适用条件包括：下承式钢梁、混凝土板位于上翼缘顶部、底部受火；具有足够曲率以发展塑性应力分布；承受正弯矩的简支梁；滑移分布可用余弦函数描述；截面关于竖轴对称；钢梁截面属于EN 1993-1-1中的1类或2类；连接件沿梁长均匀分布；标准耐火时限在R30-R120范围内。

将该算法应用于FIREDUCE-FR-P3和FIREDUCE-FR-P15两种试件，在30、60、90、120分钟标准火灾作用下的预测结果与数值模拟对比显示：对于P3连接件，相对误差分别为-6.72%、-4.48%、-3.32%和+2.32%，平均-3.05%（标准差3.85%）；对于P15连接件，相对误差分别为-7.29%、-4.81%、-3.97%和+3.50%，平均-3.14%（标准差4.65%）。绝大多数情况下相对误差低于5%，且偏于安全。

## 讨论与结论

本研究的主要贡献在于开发了首个针对可拆卸钢-混凝土组合梁火灾条件下塑性抗弯承载力的分析设计方法。研究表明，所建立的有限元模型能够准确复现常温和高温下该类组合梁的抗弯行为，其关键假设包括：基于推出试验的荷载-滑移曲线表征连接件性能、考虑材料与连接件的温度相关退化、以及梁纵向热膨胀不受约束。基于该模型提出的简化分析算法，将欧洲规范4第1-2部分的火灾设计规定扩展至可拆卸螺栓连接件，通过温度折减后的材料强度进行力平衡分析，无需显式变形协调即可考虑部分剪切连接效应。

研究人员明确指出，该方法适用于简支可拆卸钢-混凝土组合梁，其连接件表现出试验确定的非线性行为；设计时应采用规范规定的适当分项安全系数。该方法填补了关键的方法论空白，促进了可拆卸钢-混凝土组合系统在可持续性导向建筑实践中的应用，同时为结构工程师提供了可实施的计算工具。

结论部分强调：所开发的有限元模型准确复现了常温和高温下的抗弯行为；提出的分析算法将EN 1994-1-2的适用范围扩展至可拆卸连接件，与数值结果的良好一致性验证了其可靠性；该方法为首次提出的、经一致性验证且可实际应用的解析框架，不仅有效促进了可拆卸连接件的结构整合，还支持了适应性和循环性导向的新兴建筑实践。未来研究将聚焦于通过附加参数研究扩展该分析方法的适用范围，并考虑混合钢-木组合梁等其他可持续结构解决方案。