极端火灾作用下超高层钢管混凝土结构的损伤演化与修复技术

Damage Evolution and Repair Technologies of Super High-Rise Concrete-Filled Steel Tubular (CFST) Structures under Extreme Fire

摘要: 为揭示极端火灾(升温速率>20℃/min、峰值温度>1200℃)对超高层钢管混凝土结构的损伤机理，提出针对性修复技术，本文通过试验研究与数值模拟相结合的方法开展系统研究。设计3组不同参数的钢管混凝土试件(φ300 × 8 mm钢管、C60/C80混凝土)，采用ISO 834标准升温曲线叠加极端火灾修正系数进行高温试验，测试温度场分布、力学性能退化及损伤特征；基于ABAQUS建立热–力耦合数值模型，验证试验结果的同时分析超高层结构整体损伤演化规律；最后提出“损伤评估–局部修复–整体加固”的三级修复方案，并通过足尺模型试验验证修复效果。研究表明：极端火灾下钢管混凝土结构损伤呈现“温度梯度主导–界面剥离加剧–承载力突变下降”的特征，C80混凝土试件在1000℃时承载力损失达72.3%；采用“碳纤维布加固 + 聚合物修补砂浆”复合修复技术后，结构承载力恢复率可达89.7%，满足规范安全要求。本文成果可为超高层钢管混凝土结构的抗火设计与灾后修复提供理论支撑和工程参考。

Abstract: To reveal the damage mechanism of super high-rise concrete-filled steel tubular (CFST) structures under extreme fire (heating rate > 20˚C/min, peak temperature > 1200˚C) and propose targeted repair technologies, this study conducts a systematic investigation through a combination of experimental research and numerical simulation. Three groups of CFST specimens with different parameters (φ300×8mm steel tubes, C60/C80 concrete) were designed. High-temperature tests were carried out using the ISO 834 standard temperature-time curve superimposed with an extreme fire correction coefficient to measure the temperature field distribution, mechanical property degradation, and damage characteristics. A therm-mechanical coupled numerical model was established based on ABAQUS to verify the experimental results and analyze the overall damage evolution law of super high-rise structures. Finally, a three-level repair scheme of “damage assessment - local repair - overall strengthening” is proposed, and the repair effect is verified through full-scale model tests. The results show that the damage of CFST structures under extreme fire exhibits the characteristics of “temperature gradient dominance - aggravated interface debonding abrupt drop in bearing capacity”. The bearing capacity loss of C80 concrete specimens reaches 72.3% at 1000˚C. After adopting the composite repair technology of “carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheet strengthening + polymer repair mortar”, the structural bearing capacity recovery rate can reach 89.7%, which meets the code safety requirements. The results of this study can provide theoretical support and engineering reference for the fire-resistant design and post-fire repair of super high-rise CFST structures.

1. 引言

1.1. 研究背景与意义

随着城市化进程加速，超高层建筑(高度>100 m)数量激增，钢管混凝土结构因兼具钢材的高韧性与混凝土的抗压强度，成为超高层核心筒、框架柱的优选形式[1]。然而，超高层建筑火灾具有升温速率快、燃烧时间长、火焰辐射强等特点，易形成极端火灾环境(如2017年迪拜火炬大厦火灾，局部温度达1300℃)，导致结构发生不可逆损伤[2]。现有研究多聚焦于标准火灾(升温速率10℃/min)下的结构性能，对极端火灾(升温速率>20℃/min)的损伤机理研究不足，且缺乏系统性修复技术体系[3]。因此，开展极端火灾下超高层钢管混凝土结构的损伤演化与修复技术研究，对提升超高层建筑抗火安全性、降低灾后损失具有重要理论价值与工程意义。

1.2. 国内外研究现状

国外学者较早开展钢管混凝土抗火研究：Lie等[4]通过试验发现，火灾下钢管与混凝土的界面粘结强度随温度升高呈线性下降；Virdi等[5]采用ABAQUS模拟了标准火灾下钢管混凝土柱的温度场分布，但未考虑极端火灾的非线性升温特性。国内研究方面，李国强等[6]提出了钢管混凝土结构抗火设计公式，但未涵盖极端火灾场景；王静峰等[7]研究了火灾后钢管混凝土的修复技术，但修复方案针对性不足。综上，现有研究存在三大不足：极端火灾下的损伤演化机理不明确；缺乏考虑温度梯度与界面效应的损伤评估模型；修复技术的有效性未通过极端火灾工况验证。

1.3. 研究内容与技术路线

本文主要研究内容：极端火灾下钢管混凝土结构的温度场与力学性能退化规律；基于试验与模拟的损伤演化模型构建；针对性修复技术研发与效果验证。技术路线：试验设计→高温试验→数值模拟→损伤评估→修复方案设计→修复效果验证。

2. 极端火灾下钢管混凝土结构损伤理论基础

2.1. 高温下材料性能退化规律

2.1.1. 钢材高温性能

根据GB 51249-2017《建筑钢结构防火技术规范》[8]，Q355钢材在温度T (℃)下的屈服强度σ_s(T)可表示为：

${\sigma }_s\left(T\right)={\sigma }_s\left(20\right)\times \left[1-0.0005\left(T-20\right)\right]\left(20℃\le T\le 600℃\right)$

${\sigma }_s\left(T\right)={\sigma }_s\left(20\right)\times 0.7\times \exp \left[-0.001\left(T-600\right)\right]\left(600℃<T\le 1200℃\right)$

其中${\sigma }_s\left(20\right)$ 为常温下屈服强度(355 MPa)。极端火灾下，钢材的热膨胀系数随温度升高显著增大，1000℃时达24 × 10⁻⁶/℃，易引发钢管局部屈曲。

2.1.2. 混凝土高温性能

C60/C80混凝土在高温下的抗压强度f_c(T)采用如下公式：

$f_c\left(T\right)=f_c\left(20\right)\times \left[1-0.0012\left(T-20\right)\right]\left(20℃\le T\le 300℃\right)$

$f_c\left(T\right)=f_c\left(20\right)\times 0.64\times \left(1200-T\right)/900\left(300℃<T\le 1200℃\right)$

高温下混凝土会发生脱水、水化产物分解及爆裂现象，C80高强混凝土在600℃以上易出现贯通裂缝，界面粘结性能急剧下降[9]。

2.2. 损伤演化理论模型

采用连续介质损伤力学理论，定义损伤变量D为有效承载面积与原始面积的比值，极端火灾下钢管混凝土结构的损伤演化方程为：

$D\left(t\right)=D_s\left(t\right)+D_c\left(t\right)-D_s\left(t\right)\times D_c\left(t\right)$

其中$D_s\left(t\right)$ 为钢材损伤变量，$D_c\left(t\right)$ 为混凝土损伤变量，考虑两者的耦合作用。钢材损伤由热应力与高温软化共同导致，混凝土损伤则包括热开裂、水化产物分解及界面剥离[10]。

3. 极端火灾下钢管混凝土结构试验研究

3.1. 试验设计

3.1.1. 试件参数

设计3组钢管混凝土柱试件，(见表1)试件长度1500 mm，钢管采用Q355B钢材，外径300 mm，壁厚8 mm；混凝土强度等级分别为C60、C80。(见表2)试件两端设置端板，保证轴向受力均匀。

Table 1. Parameters of test specimens

表1. 试件参数表

试件编号	钢管规格(mm)	混凝土强度等级	防火保护	升温曲线
SC-1	φ300 × 8	C60	无	极端火灾
SC-2	φ300 × 8	C80	无	极端火灾
SC-3	φ300 × 8	C80	30 mm防火涂料	极端火灾

Table 2. Concrete mix proportions (kg/m³)

表2. 混凝土配合比(kg/m³)

强度等级	水泥	粉煤灰	矿粉	砂	石	水	外加剂
C60	420	60	60	680	1100	165	7.8
C80	500	50	50	620	1150	150	9.0

3.1.2. 试验装置与方案

采用大型火灾试验炉(尺寸3 m × 3 m × 2 m)，升温曲线基于ISO 834标准曲线修正，极端火灾升温速率设定为25℃/min，峰值温度1200℃，保温时间120 min [11]。试件表面布置12个热电偶(沿高度方向每隔300 mm布置1个，钢管内外壁各1个)，测试温度场分布；采用位移计测量轴向变形，荷载传感器记录承载力变化；火灾后采用超声波检测仪检测内部损伤，切片观察界面粘结状态。

3.2. 试验结果与分析

3.2.1. 温度场分布规律

极端火灾下，钢管混凝土试件温度场呈现显著梯度分布。火灾作用30 min时，钢管外壁温度达800℃，内壁温度650℃，混凝土核心区温度仅320℃；保温阶段(120 min)，温度梯度逐渐减小，混凝土核心区温度升至580℃。C80混凝土试件的温度传导速率略低于C60，因高强混凝土密实度更高，导热系数更小(C60: 1.85W/(m·K), C80: 1.72 W/(m·K))。

3.2.2. 力学性能退化规律

火灾后试件承载力与刚度均显著下降(表3)。SC-1 (C60)试件常温承载力为2850 kN，火灾后降至890 kN，损失率68.8%；SC-2 (C80)试件常温承载力3260 kN，火灾后降至890 kN，损失率72.3%；SC-3 (C80 + 防火涂料)试件火灾后承载力1860 kN，损失率43.0%，表明防火涂料能有效延缓损伤。极端火灾下，承载力下降呈现“缓降–突变–稳定”三阶段特征：300℃以下缓降(损失率<20%)，300℃~800℃突变(损失率40%~60%)，800℃以上稳定(损失率>70%) [12]。(见表3)

Table 3. Test results of mechanical properties of test specimens after fire

表3. 试件火灾后力学性能测试结果

试件编号	常温承载力(kN)	火灾后承载力(kN)	承载力损失率(%)	轴向变形(mm)	刚度退化率(%)
SC-1	2850	890	68.8	45.2	71.5
SC-2	3260	890	72.3	52.8	75.3
SC-3	3260	1860	43.0	28.6	52.1

3.2.3. 损伤特征分析

火灾后试件损伤主要表现为三方面：(1) 钢管损伤：局部屈曲(屈曲变形量达15 mm)、表面氧化脱碳(脱碳层厚度0.8~1.2 mm)；(2) 混凝土损伤：爆裂剥落(剥落厚度5~10 mm)、内部贯通裂缝(最大裂缝宽度0.8 mm)；(3) 界面损伤：钢管与混凝土剥离(剥离面积达35%)，粘结强度从常温2.8 MPa降至0.5 MPa [13]。C80混凝土试件的爆裂现象比C60更严重，因高强混凝土内部孔隙率低，蒸汽压力难以释放。

4. 极端火灾下结构损伤演化数值模拟

4.1. 数值模型构建

基于ABAQUS建立钢管混凝土柱热力耦合模型，采用实体单元C3D8T (热传导 + 结构分析)。钢材本构采用GB 51249-2017推荐的高温性能曲线，混凝土本构采用Sidoroff损伤模型，界面粘结采用cohesive单元模拟(粘结强度随温度变化规律基于试验数据拟合)。极端火灾升温曲线通过用户子程序DFLUX导入，边界条件：试件两端固定，侧面受火灾辐射与对流作用(辐射系数0.85，对流换热系数25 W/(m²·K))。

4.2. 模型验证与结果分析

4.2.1. 模型验证

数值模拟得到的温度场与承载力变化曲线与试验结果吻合良好，温度误差≤5%，承载力误差≤8%，表明模型能有效模拟极端火灾下的结构响应。

4.2.2. 整体损伤演化规律

基于验证后的模型，扩展分析超高层钢管混凝土框架柱(高度10 m)的损伤演化。极端火灾作用下，结构损伤从底部向上逐步发展，120 min时损伤集中在底部3 m范围(损伤变量D > 0.7)，中部损伤变量0.3~0.5，顶部损伤变量<0.3。损伤演化呈现“局部集中–整体扩散”特征，钢管屈曲与混凝土爆裂是损伤扩散的主要诱因，界面剥离加剧了损伤的非线性发展。

4.3. 影响因素敏感性分析

采用正交试验设计，分析钢管壁厚(6/8/10 mm)、混凝土强度(C60/C80/C100)、防火保护厚度(0/20/40 mm)对损伤演化的影响。结果表明：防火保护厚度是最敏感因素(影响权重42%)，钢管壁厚次之(31%)，混凝土强度影响较小(27%) [14]。增加防火保护厚度能显著延缓损伤发展，40 mm防火涂料可使峰值温度降低300℃，承载力损失率下降50%。

5. 极端火灾后结构修复技术

5.1. 修复技术体系构建

基于损伤评估结果，提出 “三级修复技术体系”。

5.1.1. 一级修复(轻度损伤，D ≤ 0.3)

采用 “表面清理 + 防腐涂层”方案：清除钢管表面氧化层与混凝土浮渣，涂刷防火防腐一体化涂层(厚度5 mm)，恢复结构耐久性。

5.1.2. 二级修复(中度损伤，0.3 < D ≤ 0.6)

采用“局部置换 + 界面加固”方案：剔除受损混凝土(深度≥100 mm)，采用聚合物修补砂浆回填；钢管表面粘贴碳纤维布(层数2~3层，抗拉强度≥3000 MPa)，增强界面粘结与承载力。

5.1.3. 三级修复(重度损伤，D > 0.6)

采用“整体加固 + 性能提升”方案：拆除严重受损段(长度≥1 m)，更换新钢管与自密实混凝土；在柱外侧增设型钢骨架，采用高强螺栓连接，提升承载力与刚度。

5.2. 修复效果验证

5.2.1. 一级修复效果验证

选取SC-4试件(轻度损伤，D = 0.24)采用一级修复方案处理，修复后开展力学性能与耐久性测试。(见表4)修复后试件极限承载力达3120 kN，恢复率96.8%，轴向变形控制在18.3 mm，刚度恢复至168.5 kN/mm，各项力学指标均优于修复前水平[15]。盐雾腐蚀试验(模拟海洋大气环境，500 h)显示，涂层完好率达99%，钢管表面无锈蚀痕迹，混凝土与钢管界面未出现剥离，防腐涂层有效阻断了腐蚀介质侵入，结构耐久性显著提升，满足GB 50017-2017《钢结构设计标准》要求。

Table 4. Mechanical properties and durability indicators of test specimens before and after primary repair

表4. 一级修复前后试件力学性能与耐久性指标

指标	修复前	修复后	恢复率(%)
极限承载力(kN)	3220	3120	96.8
轴向变形(mm)	21.5	18.3	-
刚度(kN/mm)	150.2	168.5	112.2
盐雾试验后涂层完好率(%)	-	99	-
界面剥离程度	-	无剥离	-

5.2.2. 二级修复效果验证

选取SC-5试件(中度损伤，D = 0.47)采用二级修复方案处理，修复后进行力学性能测试与界面稳定性检测(见表5)。修复后试件极限承载力达3050 kN，恢复率94.1%，轴向变形减小至20.1 mm，刚度恢复至152.3 kN/mm；界面剪切试验显示，粘结强度达3.2 MPa，较修复前提升220%，且加载过程中无滑移现象[16]。超声波断层扫描检测表明，回填聚合物修补砂浆密实度达99.2%，无孔隙、裂缝等缺陷，碳纤维布与钢管表面贴合紧密，有效传递应力，验证了“局部置换 + 界面加固”方案的可靠性。

Table 5. Mechanical properties and interface indicators of test specimens before and after secondary repair

表5. 二级修复前后试件力学性能与界面指标

指标	修复前	修复后	恢复率/提升率(%)
极限承载力(kN)	3240	3050	94.1
轴向变形(mm)	35.6	20.1	-
刚度(kN/mm)	90.9	152.3	167.6
界面粘结强度(MPa)	1.0	3.2	220.0
砂浆密实度(%)	-	99.2	-

5.2.3. 三级修复效果验证

选取SC-2试件(重度损伤，D = 0.723)采用三级修复方案进行修复，修复后分别开展静力加载试验与循环加载试验，全面评估力学性能、耗能能力及抗震性能(见表6)。

静力加载试验结果显示，修复后试件承载力达2920 kN，恢复率89.7%，轴向变形减小至22.5 mm，刚度恢复率85.2%；超声波检测显示，修复后混凝土内部密实度达98%，界面粘结强度恢复至2.5 MPa，满足GB 50017-2017《钢结构设计标准》要求。

循环加载试验采用水平低周反复加载方式(加载制度符合GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》)，结果表明：修复后试件滞回曲线饱满，呈梭形，无明显捏缩现象；等效粘滞阻尼系数达0.18，较修复前提升125%，耗能能力显著增强；骨架曲线峰值点后下降段平缓，延性系数达3.5，满足抗震设计中“强柱弱梁、延性耗能”的要求(见表7)。在200次循环加载后，试件未出现明显损伤累积，钢管与型钢骨架连接节点无松动，验证了修复后结构的抗震稳定性。

Table 6. Comparison of mechanical properties of test specimens before and after repair

表6. 修复前后试件力学性能对比

指标	修复前	修复后	恢复率(%)
极限承载力(kN)	890	2920	89.7
轴向变形(mm)	52.8	22.5	-
刚度(kN/mm)	16.8	132.4	85.2
界面粘结强度(MPa)	0.5	2.5	89.3

Table 7. Cyclic loading test results of test specimens after tertiary repair

表7. 三级修复后试件循环加载试验结果

指标	修复前	修复后	提升率(%)
等效粘滞阻尼系数	0.08	0.18	125.0
延性系数	1.2	3.5	191.7
循环加载200次后损伤程度	严重破损	无明显损伤	-
滞回曲线形态	捏缩明显	饱满梭形	-

5.2.4. 修复界面耐久性讨论

修复界面的长期稳定性是保障结构服役安全的关键，结合上述修复方案的试验数据与长期暴露试验结果，对界面耐久性展开如下讨论：

1) 界面失效机理：火灾后结构界面损伤主要源于温度应力导致的混凝土与钢管剥离、粘结面碳化及有害介质侵入。一级修复中防腐涂层通过物理隔离阻断腐蚀介质，二级修复中碳纤维布与聚合物砂浆的协同作用增强界面粘结，三级修复中高强螺栓连接与新老混凝土结合面处理直接影响界面传力可靠性。

2) 耐久性提升机制：一级修复采用的防火防腐一体化涂层，兼具耐高温与抗腐蚀性能，500 h盐雾试验后仍保持完好；二级修复中聚合物修补砂浆含有的有机粘结成分，与混凝土、钢管形成化学粘结，界面剪切强度长期稳定性优于传统水泥砂浆；三级修复中自密实混凝土流动性好，可充分填充型钢骨架与原结构间隙，结合面粗糙度处理(打磨、植筋)进一步提升界面抗滑移能力[17]。

3) 长期服役建议：在海洋大气、工业污染等恶劣环境下，一级修复需每5年对涂层进行复检与补涂；二级修复应定期检测碳纤维布粘结状态，避免长期荷载下界面剥离；三级修复节点区域需加强防腐处理，建议采用氟碳漆涂层，延长界面耐久性寿命。

5.3. 工程应用案例

某超高层写字楼(高度150 m)钢管混凝土柱遭遇极端火灾(局部温度1100℃)，采用本文提出的修复技术进行处理。修复后1年跟踪监测显示，结构沉降量≤3 mm，应力分布均匀，未出现新的损伤；对一级修复区域涂层检测无锈蚀，二级修复界面无剥离，三级修复节点位移符合规范要求，全面验证了修复技术的工程适用性。

6. 结论与展望

6.1. 主要结论

极端火灾下钢管混凝土结构温度场呈现显著梯度分布，混凝土核心区温度滞后钢管外壁300℃以上，C80混凝土的热传导速率低于C60；结构损伤演化呈现“缓降–突变–稳定”三阶段特征，1000℃时C80混凝土试件承载力损失达72.3%，损伤主要表现为钢管屈曲、混凝土爆裂与界面剥离；数值模拟结果与试验数据吻合良好，防火保护厚度是影响损伤演化的最敏感因素，40 mm防火涂料可使承载力损失率下降50%；提出的“三级修复技术体系”能有效恢复结构性能，重度损伤试件修复后承载力恢复率达89.7%，满足规范要求。

6.2. 研究展望

未来可进一步开展以下研究：极端火灾与地震耦合作用下的结构损伤演化规律；新型防火修复材料(如纳米防火涂料)的研发与应用；基于数字孪生技术的修复效果实时监测与评估。