火灾条件下钢筋混凝土结构性能变化及计算方法

卢杨　王超　李修国　杨增

摘 要：火灾对钢筋混凝土结构具有较强的破坏能力，研究火灾条件下钢筋混凝土的破坏程度，以及如何计算火灾后钢筋混凝土结构的主要性能参数，对于确定火灾后混凝土结构的稳定性意义重大，本文在钢筋混凝土高温试验的基础上，对其主要性能进行研究，并借鉴相关资料，给出混凝土高温后主要参数的计算方法。

关键词：钢筋；混凝土；高温试验

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0092-01

火的使用对人类文明产生了深远的影响，在人类历史发展中起到了巨大的推动作用，但火也具有其危害性的一面——火灾。火灾是火失去控制而蔓延的灾害性现象，尤其在当今社会，是世界各国都面临的共同难题。

火灾中产生的高温环境还会对建筑结构造成较大破坏，导致其承载力下降，使用寿命减少，甚至出现突然性垮塌，造成严重的人员伤亡。本文研究钢筋混凝土结构在火灾中的性能变化，通过总结钢筋混凝土结构高温实验数据，确定结构在火灾中具体变化情况和耐火极限，从微观角度分析造成高温损伤的原因，对钢筋混凝土结构火灾扑救提出一点指导。

1 火灾的发展过程

从定性角度看，火灾一般分为3个阶段，初期、旺盛期、衰减期。在火灾初期，防火分区内的平均温度较低，但燃烧区温度较高，使附近的可燃物发生热解，进一步形成燃烧，造成火势扩大，室内空气温度不断上升，加之火焰辐射作用，室内可燃物表面的温度迅速上升，最终导致防火分区内可燃物全面燃烧。火灾由初期转变为全面燃烧的瞬间，成为轰燃，它的出现标志着火灾进入旺盛期，此后火灾分区内平均温度急剧上升，旺盛期后，火场可燃物燃近，火场温度逐渐降低，直至熄灭。通常把火灾温度降到最高值的80%开始作为衰减期[1] （如图1）。

图 1

2 钢筋混凝土高温试验

2.1 高温试验准备

本试验选取混凝土强度等级为C30，纵向钢筋为HRB335，上侧为3-φ12，下侧为3-φ16，箍筋HRB235，φ10×5。试验构件尺寸为1000mm×500mm×500mm的长方体。水泥的强度等级为42.5，石子的规格为5～40，塌落度为4～6，每立方的材料重量（kg），配比为（水泥：砂：石：水）366：635：1178：190。试件成型后经过7d水养，自然养护至28d，常温下放置1d晾晒，然后进行高温试验。

试件加热采用武汉华中电炉设备有限公司研制的RX3-20-12型箱式电阻炉，升温速率为10℃/min，最高温度可达到1200℃，达到目标温度后恒温3h，使试件内外温度一致，达到稳定温度场，也使不同温度场下试件中物理化学反应更加充分。

2.2 钢筋混凝土高温试验现象

在升温过程中，200℃左右，炉口有少量明显可见的水蒸汽逸出，这主要是混凝土中的游离水蒸发引起的，随着温度的升高，混凝土内部的C-S-H凝胶和钙矾石Aft开始脱水，从炉口处可发现有大量白色的水雾，且慢慢变浓。大约在350℃时逸出的水雾最大，而后逐渐减小到500℃，炉口的白雾基本消失，此时混凝土的大部分水分已经失去。

3 钢筋混凝土高温性能

3.1 钢筋的高温特性

高温下钢筋的屈服强度和极限强度采用文献[2]和文献[3]中给出的相关公式进行计算，具体为：

屈服强度：（Ⅰ-Ⅳ级钢） （3-4）

极限强度：（Ⅰ-Ⅳ级钢） （3-5）

屈服应变： （3-6）

极限应变：（Ⅰ级钢）

（3-7）

（Ⅱ-Ⅳ级钢） （3-8）

自由膨胀应变： （3-9）

式中的，分别是常温时的钢筋的屈服强度和极限强度；，分别为温度为T时钢筋的屈服强度和极限强度；k为系数，对Ⅰ-Ⅳ级钢筋分别取1.368、1.131、1.180、1.278

高温下钢筋的应力应变关系采用文献[4]中给出的相关公式进行确定：

钢筋高温下的总应变为：

其中为钢筋应力引发的应变。

3.2 混凝土的高温特性

普通混凝土的高温特性根据相关文献[2]和文献[3]给出的公式进行确定，具体为：

峰值抗压强度：

（3-1）

峰值压应变：

（3-2）

瞬态热应变：

（3-3）

其中，分别为常温时混凝土的峰值抗压强度以及对应的峰值压应变；，分别为温度为T作用下混凝土的峰值抗压强度以及对应的峰值压应变；为混凝土的应力，对于普通混凝土式3-3中K=6.97×10-8，T>800℃时，瞬态热应变取T=800℃时对应的值。

参考文献

[1] 何喜洋.钢筋混凝土框架结构的抗火性能研究[D].华南理工大学硕士论文，2005：1-3.

[2] 过镇海，史旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2002：7-65.

[3] 胡海涛，董毓利.高温时高强混凝土瞬态热应变的试验研究[J].建筑结构学报，2002，23（4：）：32-47.

[4] 沈聚敏，王传志，江见鲸.钢筋混凝土有限元[M].北京：清华大学出版社，1993：115-153.