混凝土在火災(zāi)作用下的變化與檢測方法

■ 李新輝 北京市海淀區(qū)公安消防支隊

火災(zāi)的發(fā)生會使得出現(xiàn)溫度的升高，在溫度的持續(xù)升高下混凝土的力學(xué)性能會出現(xiàn)不同程度的降低。在高溫作用下，混凝土構(gòu)件的承載力也深受溫度的影響，在溫度升高下，極限彎矩減小?；馂?zāi)作用下混凝土構(gòu)件溫度場是分析混凝土 構(gòu)件抗火性能、損傷分析、指標(biāo)評定的重要基礎(chǔ)。在分析混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的時候需要對混凝土結(jié)構(gòu)溫度場進(jìn)行分析。為此，文章主要應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS 對鋼筋混凝土梁在高溫作用下的溫度場進(jìn)行非線性瞬間分析，從高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、骨料類型、升溫時間、含水率等參數(shù)具體分析火災(zāi)對混凝土梁溫度場的影響。

一、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場的分析工作是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火性能研究的重要基礎(chǔ)，逐漸引起了建筑工程結(jié)構(gòu)抗火領(lǐng)域研究人員 關(guān)注。常見的混凝土結(jié)構(gòu)溫度場研究方法有兩種，一種是理論分析，另外一種是試驗操作分析。其中，試驗操作方法所耗費的時間較長，所需要的資金消耗較大，理論研究分析在某種程度上杜絕了操作不便的情況。理論分析的應(yīng)用能夠?qū)ο鄬Ψ€(wěn)態(tài)的溫度場傳熱問題進(jìn)行細(xì)致的剖析。但對于大多數(shù)的火災(zāi)升溫瞬態(tài)傳熱問題則是沒有明確的解釋，一般采用數(shù)值分析方法。

二、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場數(shù)值模擬及分析

（一）混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場數(shù)值模擬概況

文章所選擇的數(shù)值模型是截面尺寸bxh=200mmx300mm，長度L=3000mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在對混凝土構(gòu)件溫度場分析的時候假設(shè)混凝土各個構(gòu)件的截面和使用材料是完整、連續(xù)的（選擇的材料不存在開裂和表皮脫落問題）?；炷两Y(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度場數(shù)值模擬操作需要應(yīng)用軟件ABAQUS 中的八節(jié)點線性傳熱六面體單元。基于在混凝土構(gòu)件中，鋼筋占據(jù)的小比例，鋼筋導(dǎo)熱系數(shù)較大，為此，在實驗操作中可以不考慮鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

（二）混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁截面溫度場影響分析

1．受火方式

火災(zāi)的發(fā)生具有不確定、不穩(wěn)定、波及范圍廣的特點，建筑混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的受火方式分為以下三種：一面受火、兩面受火、三面受火。在火災(zāi)環(huán)境下，建筑混凝土結(jié)構(gòu)梁截面中心點位置上的溫度也會發(fā)生相應(yīng)的變化。在火災(zāi)環(huán)境下，不同時間范圍內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件梁截面對稱軸25mm位置上的變化情況如圖三所示。經(jīng)過實踐研究證明，火災(zāi)發(fā)生的時候，對建筑物的梁截面溫度場有著比較大的影響，建筑混凝土截面除了兩面受火，其他受火方式作用下的溫度分布也呈現(xiàn)出對稱的局面。受火面距離越遠(yuǎn)，相應(yīng)的溫度就越低，混凝土結(jié)構(gòu)梁截面中心點、截面豎向?qū)ΨQ軸距離底面25mm的位置上是受火的初期，不同受火方式對混凝土截面溫度場的影響不大，但是在火逐漸變大下，受火面的數(shù)量對截面溫度場的影響越來越大。

2．截面尺寸

為了能夠更好的分析火災(zāi)發(fā)生強弱對混凝土建筑結(jié)構(gòu)和截面的影響，在操作的時候可以通過改變混凝土梁截面尺寸大小來分析判斷。綜合各種分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同截面尺寸距離受火底面較近點的溫度基本相同，在混凝土截面高度的增加下，混凝土截面尺寸對混凝土溫度場的影響也相應(yīng)的增加，切在截面豎向?qū)ΨQ軸距離底面300mm位置上的溫度差最大。

3．骨料類型

在同樣的受火條件下，在同樣位置上的建筑梁截面骨料溫度高低不同，其中硅質(zhì)骨料溫度高，輕質(zhì)骨料混凝土溫度低、質(zhì)量差。在混凝土梁截面高度不斷增加下，受不同巖石骨料配比成的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)不同，溫度差也會相應(yīng)的增加，且一般材料骨料混凝土要比鈣質(zhì)混凝土導(dǎo)熱數(shù)值高。

4．含水率

在較高溫度的影響下，混凝土構(gòu)件中水分蒸發(fā)會隨著物質(zhì)的變化發(fā)生變化，由此對混凝土內(nèi)部溫度變化產(chǎn)生了深刻的影響。含水率對溫度場的影響比較復(fù)雜，為此，文章結(jié)合實際情況應(yīng)用科學(xué)的方法分析建筑混凝土在100-200攝氏度環(huán)境下的熱容，通過熱容進(jìn)一步了解含水率度對建筑混凝土溫度場產(chǎn)生的影響。含水率越高，在同樣受火時間內(nèi)截面的溫度就會變低，含水率影響混凝土截面溫度——時間曲線在100攝氏度-200攝氏度之間的變化最大。在分析這種現(xiàn)象之后總結(jié)出混凝土溫度在超過100攝氏度的時候，內(nèi)部的一些自由水會轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，這些水蒸氣會從微小的孔隙中帶走多余的成分，因而在溫度是100攝氏度左右的時候，混凝土截面曲線變化趨于平緩，可見，含水率對梁截面周圍點的溫度影響不大。

三、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的受損情況以及承載力降低分析

（一）混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的受損情況

第一，梁?；炷亮涸诨馂?zāi)作用下處于三面受火的狀態(tài)，大多是梁底部直接受火，受火災(zāi)影響后，建筑梁縱向鋼筋會出現(xiàn)裂縫，新澆筑混凝土底面也會出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象。第二，鋼筋混凝土柱。鋼筋混凝土柱在火災(zāi)中四個面都處于受火的狀態(tài)，破壞的時候受損比較嚴(yán)重，產(chǎn)生的裂縫也比較深。第三，板和墻。在火災(zāi)中，樓板、墻位置比較容易受損，在火災(zāi)的影響下，短時間內(nèi)就能達(dá)到600攝氏度，表面會出現(xiàn)裂縫。

（二）混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的承載力降低分析

在建筑混凝土平均溫度比較高的情況下，如果火災(zāi)溫度高、持續(xù)時間長，建筑物自身抗震能力也會被降低。在這樣的情況下，建筑物如果應(yīng)用了質(zhì)量比較輕的混凝土，溫度高低變化的影響會在一定程度上降低構(gòu)件的抗壓強度，而應(yīng)用硅質(zhì)混凝土高溫后的抗壓強度降低程度達(dá)到最大。

四、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)在的檢測和鑒定

（一）檢測

第一，外部檢測。混凝土結(jié)構(gòu)的外部檢測要注重查看構(gòu)件的表面受損情況，具體表現(xiàn)在混凝土表面的裂紋、疏松情況、構(gòu)件變形等，同時還要評估火災(zāi)的溫度，推斷構(gòu)件受損的大體程度。第二，取樣檢測。構(gòu)件損傷檢測結(jié)果是混凝土結(jié)構(gòu)可靠的重要依據(jù)，因此在操作的時候要分類取樣，同時考慮溫度、混凝土強度、鋼筋力學(xué)指標(biāo)信息。

（二）鑒定

火災(zāi)發(fā)生之后需要檢驗建筑物的可靠度，首先鑒定建筑物的危險度，提出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。其次，還需要對火災(zāi)間接帶來的構(gòu)件損傷等進(jìn)行鑒定，加強對節(jié)點、柱端破損現(xiàn)象的檢查。再次，做好火災(zāi)直接損傷構(gòu)件的鑒定。對混凝土外部構(gòu)件的檢測可以通過敲擊、檢查是否存在碳化現(xiàn)象的方式進(jìn)行，如果發(fā)現(xiàn)了輕微的裂紋，需要相關(guān)人員及時修補。如果混凝土的表面出現(xiàn)了微微的紅色、不存在裂縫和碳化現(xiàn)象，在這個現(xiàn)象之后火災(zāi)的溫度往往達(dá)到了500攝氏度，建筑構(gòu)件的強度下降。

五、結(jié)語

綜上所述，建筑物在經(jīng)過火災(zāi)之后，其承載力、剛度等伴隨火災(zāi)溫度的變化都會發(fā)生不同程度的降低，抗震性能也會降低。為此，需要相關(guān)人員結(jié)合火災(zāi)后建筑物的受損情況來采取相應(yīng)的加固措施，有效恢復(fù)建筑物的使用性?；谟邢拊浖x擇適合的參數(shù)，對火災(zāi)下鋼筋混凝土梁溫度場進(jìn)行非線性高溫反應(yīng)分析，了解到混凝土的高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、骨料類型、升溫時間、含水率的變化規(guī)律，旨在為火災(zāi)作用下混凝土結(jié)構(gòu)加固和處理提供重要支持。

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