矩形螺旋箍筋对矩形钢管混凝土柱抗火性能的提升作用

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.250138

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 54 ›› Issue (2): 123-132.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.250138

矩形螺旋箍筋对矩形钢管混凝土柱抗火性能的提升作用

仇培云¹(), 臧建波²^,³(), 王新祥³

^1.广州地铁建设管理有限公司，广东广州 510335
^2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640
^3.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司建筑消防研究所，广东广州 510530

收稿日期:2025-05-09 出版日期:2026-02-25 发布日期:2025-06-05
通信作者: 臧建波 E-mail:qiupeiyun@gzmtr.com;jianbo_zang@163.com
作者简介:仇培云（1980—），男，博士，正高级工程师，主要从事安全技术研究。E-mail： qiupeiyun@gzmtr.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52408530);中国博士后科学基金项目(2023M730734)

Enhancing Effect of Rectangular Spiral Stirrups on the Fire Resistance of Concrete-Filled Rectangular Steel Tubular Columns

QIU Peiyun¹(), ZANG Jianbo²^,³(), WANG Xinxiang³

^1.Guangzhou Metro Construction and Management Co. ，Ltd. ，Guangzhou 510335，Guangdong，China
^2.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^3.Fire Research Institute，Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co. ，Ltd. ，Guangzhou 510530，Guangdong，China

Received:2025-05-09 Online:2026-02-25 Published:2025-06-05
Contact: ZANG Jianbo E-mail:qiupeiyun@gzmtr.com;jianbo_zang@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52408530);the China Postdoctoral Science Foundation(2023M730734)

摘要/Abstract

摘要：

内置箍筋约束能显著提升钢管混凝土（CFST）柱的抗火性能，且在无任何防火保护的情况下，仍可使构件满足对应耐火等级的设计要求，为结构防火设计和延长结构安全服役寿命提供了新途径。该文设计制作了3根足尺矩形CFST柱，对其进行标准火灾与荷载耦合作用下的明火试验，探究内置矩形螺旋箍筋对该类构件抗火性能的提升效果，并考察箍筋间距对其抗火性能的影响规律。基于材料现有的高温力学本构关系，建立了火灾作用下矩形螺旋箍筋约束矩形CFST柱的数值分析模型，揭示高温环境下箍筋约束核心混凝土对该类构件耐火极限的提升机理。研究结果表明：在总用钢量相同甚至略低的情况下，内置矩形螺旋箍筋可显著改善矩形CFST柱的耐火性能，耐火极限提升幅度高达104.1%；通过合理设计箍筋参数，该类轴压柱无需在钢管表面设置防火保护层，即可满足150 min的二级耐火等级要求；箍筋间距从40 mm增至80 mm时，对该类构件耐火性能的影响较小；所建数值模型可较好地预测内置矩形螺旋箍筋约束矩形CFST柱的耐火极限，但对构件不同受火时间下的变形预测精度欠佳。

关键词: 矩形螺旋箍筋, 矩形CFST柱, 耐火性能, 箍筋间距, 约束

Abstract:

Internal stirrup confinement can significantly enhance the fire resistance of concrete-filled steel tubular (CFST) columns. Even without any fire protection, this approach still enables the columns to meet the design requirements for the corresponding fire resistance rating, providing a novel method for structural fire protection design and enhancing the safe service life of structures. This paper designed and fabricated three full-scale rectangular CFST columns and conducted fire test on them under the combined effects of standard fire exposure and axial loading. The study investigated the fire performance enhancement of such members via internal rectangular spiral stirrups, and examined the influence of stirrup spacing on their fire resistance. Based on the existing mechanical constitutive models of materials at elevated temperature, this study developed a numerical model for rectangular CFST columns and revealed the mechanism by which the spiral stirrups constrain the core concrete to enhance the fire resistance. The research results indicate that, with equivalent or slightly lower total steel usage, the internal rectangular spiral stirrups can significantly improve the fire resistance of such columns, with an increase in fire resistance of up to 104.1%. By reasonably designing the stirrups parameters, this type of axially compressed column can meet the Class Ⅱ fire resistance rating requirements for 150 minutes without the need of a fire protection layer on the steel tube surface. When the stirrup spacing increases from 40 mm to 80 mm, its effect on the fire resistance of such members is relatively small. The established numerical model can effectively predict the fire resistance of rectangular CFST columns with internal rectangular spiral stirrups, but its accuracy in predicting deformation at different heating time is less satisfactory.

Key words: rectangular spiral stirrup, rectangular CFST column, fire resistance, stirrup spacing, confinement

中图分类号:

TU375.2

仇培云, 臧建波, 王新祥. 矩形螺旋箍筋对矩形钢管混凝土柱抗火性能的提升作用[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2026, 54(2): 123-132.

QIU Peiyun, ZANG Jianbo, WANG Xinxiang. Enhancing Effect of Rectangular Spiral Stirrups on the Fire Resistance of Concrete-Filled Rectangular Steel Tubular Columns[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2026, 54(2): 123-132.

图/表 13

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参考文献 39

[1]	WANG Y C， DAVIES J M ．An experimental study of the fire performance of non-sway loaded concrete-filled steel tubular column assemblies with extended end plate connections［J］．Journal of Constructional Steel Research，2003，59（7）：819-838.
[2]	Design of composite steel and concrete structures，Part 1-2：general rules-structural fire design：EN 1994-1-2—2005 ［S］.
[3]	HAN L H， YANG Y F， XU L ．An experimental study and calculation on the fire resistance of concrete-filled SHS and RHS columns［J］．Journal of Constructional Steel Research，2003，59（4）：427-452.
[4]	ESPINOS A， ROMERO M L， SERRA E，et al ．Experimental investigation on the ﬁre behaviour of rectangular and elliptical slender concrete-filled tubular columns［J］．Thin-Walled Structures，2015，93：137-148.
[5]	RODRIGUES J P C， LAIM L ．Fire response of restrained composite columns made with concrete filled hollow sections under different end-support conditions［J］．Engineering Structures，2017，141：83-96.
[6]	戴戎．轴压矩形钢管再生混凝土抗火性能研究［D］．镇江：江苏科技大学，2019.
[7]	DU Y S， ZHANG Y T， LIU H B，et al ．Behaviors of restrained rectangular high-strength CFT column under elevated temperature［J］．Construction and Building Materials，2024，432：136616/1-20.
[8]	刘发起．三面受火的矩形钢管混凝土柱抗火性能研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2010.
[9]	KIM S H， CHOI S M， YOM K S ．Improving fire performance with steel fibers for internally anchored square composite columns［J］．Journal of Constructional Steel Research，2014，103：264-274.
[10]	麻辉．恒高温下带钢筋加劲肋薄壁方钢管混凝土短柱力学性能研究［D］．阜新：辽宁工程技术大学，2015.
[11]	米振伟．带肋薄壁方钢管混凝土柱抗火性能研究［D］．阜新：辽宁工程技术大学，2017.
[12]	CHABOT M， LIE T T ．Experimental studies on the fire resistance of hollow steel columns filled with bar-reinforced concrete［R］．Ottawa：National Research Council of Canada，1992.
[13]	MYLLYMÄKI J， LIE T T， CHABOT M ．Fire resistance tests of square hollow steel columns filled with reinforced concrete［R］．Ottawa：National Research Council of Canada，1994.
[14]	LU H， HAN L H， ZHAO X L ．Fire performance of self-consolidating concrete filled double skin steel tubular columns：experiments［J］．Fire Safety Journal，2010，45（2）：106-115.
[15]	LU H， ZHAO X L， HAN L H ．Testing of self-consolidating concrete-filled double skin tubular stub columns exposed to fire［J］．Journal of Constructional Steel Research，2010，66（8/9）：1069-1080.
[16]	ROMERO M L， ESPINOS A， PORTOLÉS J M，et al ．Slender double-tube ultra-high strength concrete-filled tubular columns under ambient temperature and fire［J］．Engineering Structures，2015，99：536-545.
[17]	WAN C Y， ZHA X X， DASSEKPO J B M ．Analysis of axially loaded concrete filled circular hollow double steel tubular columns exposed to fire［J］．Fire Safety Journal，2017，88：1-12.
[18]	朱思懿，朱美春，郑丽兰，等．钢骨-钢管高强混凝土柱抗火性能试验研究［J］．上海师范大学学报（自然科学版），2014，43（3）：319-322．
	ZHU Siyi， ZHU Meichun， ZHENG Lilan，et al ．Experimental research on fire resistance of circular steel tube column filled with steel-reinforced high-strength concrete［J］．Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2014，43（3）：319-322．
[19]	朱美春，孟凡钦，何宝杰．型钢-钢管混凝土柱耐火性能试验研究［J］．建筑结构学报，2016，37（3）：36-43.
	ZHU Meichun， MENG Fanqin， HE Baojie ．Experimental research on fire resistance of steel tubular columns filled with steel reinforced concrete［J］．Journal of Building Structures，2016，37（3）：36-43.
[20]	ESPINOS A， ROMERO M L， LAM D ．Fire performance of innovative steel-concrete composite columns using high strength steels［J］．Thin-Walled Structures，2016，106：113-128.
[21]	NEUENSCHWANDER M， KNOBLOCH M， FONTANA M ．ISO standard fire tests of concrete-filled steel tube columns with solid steel core［J］．Journal of Structural Engineering，2017，143（4）：04016211/1-14.
[22]	SCHAUMANN P， KLEIBÖMER I ．Experimental and numerical investigations of the composite behaviour in concrete-filled tubular columns with massive steel core at high temperatures［J］．Journal of Structural Fire Engineering，2018，9（2）：147-160.
[23]	吴波，傅翼飞．内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱轴压及耐火性能试验研究［J］．建筑结构学报，2020，41（5）：85-95.
	WU Bo， FU Yifei ．Test on compressive behavior and fire performance of square steel tubular columns filled with recycled 1ump concrete and high-strength steel angles［J］．Journal of Building Structures，2020，41（5）：85-95.
[24]	张强．内置横向约束的薄壁圆钢管再生混合混凝土柱的轴压和耐火性能研究［D］．广州：华南理工大学，2016.
[25]	臧建波．内置箍筋的方钢管再生块体混凝土柱的耐火性能及常温力学性能研究［D］．广州：华南理工大学，2021.
[26]	Building code requirements for structural concrete and commentary：ACI 318-11 ［S］．
[27]	矩形钢管混凝土结构技术规程：［S］．
[28]	金属材料拉伸试验第 1 部分：室温试验方法：［S］．
[29]	混凝土物理力学性能试验方法标准：［S］．
[30]	WU B， ZANG J B ．Effect of embedded steel stirrups on fire behavior of square steel tubular columns filled with recycled lump concrete ［J］．Engineering Structures，2020，211：110446/1-15.
[31]	Fire-resistance tests—elements of building construction—Part1：general requirements：［S］．
[32]	ROMERO M L， MOLINER V， ESPINOS A，et al ．Fire behavior of axially loaded slender high strength concrete-filled tubular columns［J］．Journal of Constructional Steel Research，2011，67（12）：1953-1965.
[33]	YANG H， LIU F Q， ZHANG S M，et al ．Experimental investigation of concrete-filled square hollow section columns subjected to non-uniform exposure［J］．Engineering Structures，2013，48：292-312.
[34]	SERĘGA S ．Effect of transverse reinforcement spacing on fire resistance of high strength concrete columns ［J］．Fire Safety Journal，2015，71：150-161.
[35]	DING J， WANG Y C ．Realistic modelling of thermal and structural behaviour of unprotected concrete filled tubular columns in fire［J］．Journal of Constructional Steel Research，2008，64（10）：1086-1102.
[36]	LIE T T， CHABOT M， IRWIN R J ．Fire resistance of circular hollow steel sections filled with bar-reinforced concrete［R］．Ottawa：National Research Council of Canada，1992.
[37]	HONG S， VARMA A H ．Analytical modeling of the standard fire behavior of loaded CFT columns［J］．Journal of Constructional Steel Research，2009，65（1）：54-69.
[38]	TAO Z， WANG Z， YU Q ．Finite element modelling of concrete-filled steel stub columns under axial compression［J］．Journal of Constructional Steel Research，2013，89：121-131.
[39]	IMANI R， MOSQUEDA G， BRUNEAU M ．Finite element simulation of concrete-filled double-skin tube columns subjected to postearthquake fires［J］．Journal of Structural Engineering，2015，141（12）：04015055/15.

试件编号	H/mm	B/mm	t/mm	B/t	H/t	S/mm
S0	400.0	250.0	5.7	70.2	43.9
S1	400.0	250.0	3.6	111.1	69.4	38.0
S2	400.0	250.0	3.6	111.1	69.4	80.0

材料	t/mm	d/mm	平均值/MPa		变异系数/%
材料	t/mm	d/mm	屈服强度	极限强度	屈服强度	极限强度
钢管	5.7		366.8	525.4	0.91	0.73
钢管	3.6		397.3	519.6	0.60	1.50
箍筋		10.0	455.0	646.8	1.72	0.62

矩形螺旋箍筋对矩形钢管混凝土柱抗火性能的提升作用

Enhancing Effect of Rectangular Spiral Stirrups on the Fire Resistance of Concrete-Filled Rectangular Steel Tubular Columns

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[1]	刘明波, 劳子卿, 董萍. 基于终端约束模型预测控制的区域供冷系统辅助电网调频控制策略[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(9): 127-137.
[2]	李涛, 贺政博, 魏国正, 曹鸿猷. UHPC全包裹Q690高强型钢组合短柱轴压性能研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(8): 87-99.
[3]	龚小容, 王鑫, 熊维清, 王溏靓, 张洪铭. 基于IBK-IPS的电驱车间空调系统节能优化方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(7): 80-92.
[4]	胡宝雨, 齐月, 贾佃精, 程国柱. 环线电动公交车辆调度与司机排班的联合优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(6): 91-103.
[5]	王素裹, 邱崴, 郑宜, 范冰辉. 考虑箍筋约束作用的超高强混凝土预制柱轴压承载力修正计算[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(4): 50-60.
[6]	曾君, 王天伦, 黄智鹏, 等. 面向光伏集群扩展规划的两阶段分布鲁棒优化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(9): 1-11.
[7]	刘明波, 曾贵华, 董萍, 等. 氢储能系统容量双层鲁棒随机优化配置方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(9): 12-23.
[8]	刘微容, 张志强, 张宁, 等. 基于TT-Tucker分解的无预训练LC卷积神经网络压缩方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(7): 29-38.
[9]	解辉, 沈刚, 刘东, 等. 单绳缠绕式矿井提升机制动瞬态冲击抑制策略[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(3): 141-150.
[10]	杨亚璪, 翁唐政. 时空约束对运动出行的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(2): 113-123.
[11]	王英俊, 李璟慧. 等几何分析中局部固定约束的精确施加方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(12): 65-78.
[12]	陆以勤, 谢文静, 王海瀚, 等. 面向时间敏感网络的安全感知调度方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(5): 1-12.
[13]	张广驰, 乐文英, 庞海舰, 等. IRS辅助认知无线携能通信网络的发射功率最小化算法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(3): 110-123.
[14]	曹学鹏, 王德硕, 冯艳丽, 等. 基于DMPs的双机器人协同搬运轨迹的学习与泛化[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(12): 9-20.
[15]	陈可嘉, 郑晶晶. 基于种子约束LDA的产品属性提取方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(6): 37-48,70.