隧道鋼混結(jié)構(gòu)火災(zāi)力學(xué)性能研究綜述

盧 楊，李修國，王佩璽，楊 增

（1.中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，江蘇 徐州 221000；2.中國人民解放軍95996部隊，北京 102402；3.中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院后勤指揮系，江蘇 徐州 221000）

隧道鋼混結(jié)構(gòu)火災(zāi)力學(xué)性能研究綜述

盧 楊1，李修國2，王佩璽1，楊 增3

（1.中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，江蘇 徐州 221000；2.中國人民解放軍95996部隊，北京 102402；3.中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院后勤指揮系，江蘇 徐州 221000）

隧道襯砌基本都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，近年來，由于隧道內(nèi)部火災(zāi)的不斷發(fā)生，隧道內(nèi)部高溫環(huán)境導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞。本文主要對當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中（后）的力學(xué)性能的相關(guān)研究進(jìn)行梳理，歸納總結(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的力學(xué)性能變化情況。

鋼筋混凝土；高溫；粘結(jié)性

近十幾年來，隨著交通事業(yè)的不斷進(jìn)步以及施工技術(shù)的日益提高，地下隧道工程也有了長足進(jìn)步，然而，在隧道工程逐漸普及的同時，隧道的安全問題也漸漸凸顯，尤其是國內(nèi)外幾次大的隧道火災(zāi)事故，出現(xiàn)了重大人員傷亡還經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。因此，研究隧道結(jié)構(gòu)的耐火性具有十分必要的意義。隧道襯砌結(jié)構(gòu)大都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如何評定隧道襯砌火災(zāi)安全性，需要對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行研究，當(dāng)前，關(guān)于火災(zāi)高溫時（高溫后）混凝土材料的物理力學(xué)性能國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)研究工作，并得到了豐富研究成果，主要是以下幾個方面的內(nèi)容：

1 混凝土的高溫?zé)峁ば阅芎蜔峁?shù)

1.1 混凝土的高溫?zé)峁ば阅?/h3>

陸洲導(dǎo)根據(jù)傅立葉定律用穩(wěn)態(tài)保護(hù)熱板試驗(yàn)法推出了普通混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系，并給出了簡化后的混凝土熱膨脹系數(shù)計算公式，同時他又根據(jù)熱平衡原理提出了我國普通混凝土比熱的計算公式。Sultan和Kodur給出了硅質(zhì)、鈣質(zhì)高強(qiáng)混凝土熱工參數(shù)與溫度間的關(guān)系。

1.2 混凝土的熱工參數(shù)

混凝土的熱工參數(shù)主要指混凝土的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、綜合換熱系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)。

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土傳導(dǎo)熱量的能力，定義是單位溫度梯度下單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)建議高溫下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)：

比熱是指單位質(zhì)量的材料溫度升高一度時所需的熱量。影響比熱的因素有混凝土的骨料類型、配合比和含水率等。相關(guān)資料建議高溫下混凝土的比熱隨溫度變化的關(guān)系為：

綜合換熱系數(shù)是混凝土受火面與熱煙氣流及周圍環(huán)境間存在著不穩(wěn)定的對流與輻射換熱，影響因素主要有：流動狀態(tài)、固體的物性和表面的幾何參數(shù)等。我國段文璽建議的混凝土表面的綜合換熱系數(shù)如表1所示。

表 1

熱膨脹系數(shù)是指溫度升高1℃時物體單位長度的伸長量，為無量綱參數(shù)。根據(jù)清華大學(xué)的試驗(yàn)，混凝土的熱膨脹系數(shù)可近似取作：

2 鋼筋高溫時力學(xué)性能方面和熱工參數(shù)

2.1 鋼筋高溫時力學(xué)性能

陸洲導(dǎo)通過對高溫中鋼筋性能的試驗(yàn)研究得出了高溫中鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與溫度的試驗(yàn)回歸關(guān)系，并給出了高溫中Ⅱ級鋼筋的二折線彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。鈕宏通過對多根鋼筋的對比試驗(yàn)，得出了不同溫度和荷載同時作用下的鋼筋強(qiáng)度、變形、彈性模量和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律。時旭東和過鎮(zhèn)海給出了高溫時鋼筋強(qiáng)度及變形性能的劣化規(guī)律。

2.2 鋼筋的熱工參數(shù)

鋼筋的高溫?zé)峁?shù)主要包括鋼的密度、比熱、線膨脹系數(shù)。鋼的密度隨溫度的變化很小，可取常數(shù)，ρ=7850kg/m3。鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)基本保持不變。歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會采用的精確值由下式表示:

根據(jù)清華大學(xué)的試驗(yàn)資料，鋼筋的線膨脹系數(shù)可近似取為:

3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能方面

張大長和呂志濤提出T鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的計算方法。周新剛和吳江龍通過對進(jìn)行不同溫度下試件中心拔出對比試驗(yàn)，測得了相應(yīng)的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線以及粘結(jié)強(qiáng)度與保護(hù)層厚度及混凝土抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。Chiang和Tsai基于火災(zāi)后鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能的試驗(yàn)成果，得出當(dāng)溫度超過200℃后，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能明顯下降的結(jié)論。

[1]朱伯龍，陸洲導(dǎo)，胡克旭.高溫（火災(zāi)）下混凝土與鋼筋的本構(gòu)關(guān)系.四川建筑科學(xué)研究[J].1990（1）:37-43.

[2]時旭東，過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場.工程力學(xué)[J].1996，13（1）:35-43.

[3]過鎮(zhèn)海，時旭東.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，2003.

[4]時旭東，過鎮(zhèn)海.不同混凝土保護(hù)層厚度鋼筋混凝土梁的耐火性能[J].工業(yè)建筑，1996，26（9）:12-14.

TU398.9

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1671-3362（2013）07-0064-01