火災(zāi)條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能變化及計算方法

盧楊　王超　李修國　楊增

摘 要：火災(zāi)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較強的破壞能力，研究火災(zāi)條件下鋼筋混凝土的破壞程度，以及如何計算火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)，對于確定火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性意義重大，本文在鋼筋混凝土高溫試驗的基礎(chǔ)上，對其主要性能進行研究，并借鑒相關(guān)資料，給出混凝土高溫后主要參數(shù)的計算方法。

關(guān)鍵詞：鋼筋；混凝土；高溫試驗

中圖分類號：TU375 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）07-0092-01

火的使用對人類文明產(chǎn)生了深遠的影響，在人類歷史發(fā)展中起到了巨大的推動作用，但火也具有其危害性的一面——火災(zāi)?；馂?zāi)是火失去控制而蔓延的災(zāi)害性現(xiàn)象，尤其在當(dāng)今社會，是世界各國都面臨的共同難題。

火災(zāi)中產(chǎn)生的高溫環(huán)境還會對建筑結(jié)構(gòu)造成較大破壞，導(dǎo)致其承載力下降，使用壽命減少，甚至出現(xiàn)突然性垮塌，造成嚴(yán)重的人員傷亡。本文研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的性能變化，通過總結(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫實驗數(shù)據(jù)，確定結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中具體變化情況和耐火極限，從微觀角度分析造成高溫損傷的原因，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)撲救提出一點指導(dǎo)。

1 火災(zāi)的發(fā)展過程

從定性角度看，火災(zāi)一般分為3個階段，初期、旺盛期、衰減期。在火災(zāi)初期，防火分區(qū)內(nèi)的平均溫度較低，但燃燒區(qū)溫度較高，使附近的可燃物發(fā)生熱解，進一步形成燃燒，造成火勢擴大，室內(nèi)空氣溫度不斷上升，加之火焰輻射作用，室內(nèi)可燃物表面的溫度迅速上升，最終導(dǎo)致防火分區(qū)內(nèi)可燃物全面燃燒?；馂?zāi)由初期轉(zhuǎn)變?yōu)槿嫒紵乃查g，成為轟燃，它的出現(xiàn)標(biāo)志著火災(zāi)進入旺盛期，此后火災(zāi)分區(qū)內(nèi)平均溫度急劇上升，旺盛期后，火場可燃物燃近，火場溫度逐漸降低，直至熄滅。通常把火災(zāi)溫度降到最高值的80%開始作為衰減期[1] （如圖1）。

圖 1

2 鋼筋混凝土高溫試驗

2.1 高溫試驗準(zhǔn)備

本試驗選取混凝土強度等級為C30，縱向鋼筋為HRB335，上側(cè)為3-φ12，下側(cè)為3-φ16，箍筋HRB235，φ10×5。試驗構(gòu)件尺寸為1000mm×500mm×500mm的長方體。水泥的強度等級為42.5，石子的規(guī)格為5～40，塌落度為4～6，每立方的材料重量（kg），配比為（水泥：砂：石：水）366：635：1178：190。試件成型后經(jīng)過7d水養(yǎng)，自然養(yǎng)護至28d，常溫下放置1d晾曬，然后進行高溫試驗。

試件加熱采用武漢華中電爐設(shè)備有限公司研制的RX3-20-12型箱式電阻爐，升溫速率為10℃/min，最高溫度可達到1200℃，達到目標(biāo)溫度后恒溫3h，使試件內(nèi)外溫度一致，達到穩(wěn)定溫度場，也使不同溫度場下試件中物理化學(xué)反應(yīng)更加充分。

2.2 鋼筋混凝土高溫試驗現(xiàn)象

在升溫過程中，200℃左右，爐口有少量明顯可見的水蒸汽逸出，這主要是混凝土中的游離水蒸發(fā)引起的，隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部的C-S-H凝膠和鈣礬石Aft開始脫水，從爐口處可發(fā)現(xiàn)有大量白色的水霧，且慢慢變濃。大約在350℃時逸出的水霧最大，而后逐漸減小到500℃，爐口的白霧基本消失，此時混凝土的大部分水分已經(jīng)失去。

3 鋼筋混凝土高溫性能

3.1 鋼筋的高溫特性

高溫下鋼筋的屈服強度和極限強度采用文獻[2]和文獻[3]中給出的相關(guān)公式進行計算，具體為：

屈服強度：（Ⅰ-Ⅳ級鋼） （3-4）

極限強度：（Ⅰ-Ⅳ級鋼） （3-5）

屈服應(yīng)變： （3-6）

極限應(yīng)變：（Ⅰ級鋼）

（3-7）

（Ⅱ-Ⅳ級鋼） （3-8）

自由膨脹應(yīng)變： （3-9）

式中的，分別是常溫時的鋼筋的屈服強度和極限強度；，分別為溫度為T時鋼筋的屈服強度和極限強度；k為系數(shù)，對Ⅰ-Ⅳ級鋼筋分別取1.368、1.131、1.180、1.278

高溫下鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用文獻[4]中給出的相關(guān)公式進行確定：

鋼筋高溫下的總應(yīng)變?yōu)椋?/p>

其中為鋼筋應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)變。

3.2 混凝土的高溫特性

普通混凝土的高溫特性根據(jù)相關(guān)文獻[2]和文獻[3]給出的公式進行確定，具體為：

峰值抗壓強度：

（3-1）

峰值壓應(yīng)變：

（3-2）

瞬態(tài)熱應(yīng)變：

（3-3）

其中，分別為常溫時混凝土的峰值抗壓強度以及對應(yīng)的峰值壓應(yīng)變；，分別為溫度為T作用下混凝土的峰值抗壓強度以及對應(yīng)的峰值壓應(yīng)變；為混凝土的應(yīng)力，對于普通混凝土式3-3中K=6.97×10-8，T>800℃時，瞬態(tài)熱應(yīng)變?nèi)=800℃時對應(yīng)的值。

參考文獻

[1] 何喜洋.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗火性能研究[D].華南理工大學(xué)碩士論文，2005：1-3.

[2] 過鎮(zhèn)海，史旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：7-65.

[3] 胡海濤，董毓利.高溫時高強混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2002，23（4：）：32-47.

[4] 沈聚敏，王傳志，江見鯨.鋼筋混凝土有限元[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993：115-153.