结构耐火性研究

孙兴威 王兴国 王冬超

摘 要：建筑结构在火灾作用下的结构损伤对结构安全有非常重要的意义，其耐火性能对整个结构的火灾安全影响巨大。建筑结构中各类构件的受力形式主要有拉力、压力、弯矩、剪力和扭矩等，抗剪能力在许多构件中都是构件承载能力的决定因素。近年来，国内外学者对钢筋混凝土结构的抗火性能进行了大量研究，但对其抗火性能研究还不完善，尤其对于火灾下钢筋混凝土梁的抗剪性能研究尚少.

关键词：结构；耐火；承载力

1 结构耐火性的重要性

建筑构件在火灾高温的作用下，内力产生剧烈的重分布，结构发生变形，使得构件的力学性能降低，从而导致整个结构的承载能力和安全性能受到影响，甚至可能会引起建筑物的破坏或倒塌。我们要通过分析钢筋混凝土结构的热性能和在火灾高温环境中的行为，总结钢筋混凝土结构在火灾高温环境下承载能力和结构的安全性受到的影响，探讨提高钢筋混凝土结构耐火性能的设计方法。

温度对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响主要体现在材料性能和抗剪传力机理两方面。与未受火的混凝土和钢筋材料相比，火灾下混凝土和钢筋的力学性能下降。火灾下钢筋混凝土梁斜裂缝上端混凝土截面承受的剪力降低。火灾下钢筋混凝土梁的裂缝数量增多，裂缝宽度增大，造成混凝土骨料咬合力下降。火灾下钢筋与混凝土的粘结性能下降，粘结开裂裂缝和撕裂裂缝明显发展，弯剪斜裂缝附近纵筋的变形增大，削弱了纵筋的销栓作用。火灾下抗剪箍筋和弯起钢筋屈服强度降低，由箍筋和弯起钢筋贡献的抗剪承载力下降。

2 国内外学者对钢筋混凝土结构的抗火性能进行的研究情况

湖南大学胡开赢对使用湖南大学高性能落锤试验机对钢筋混凝土（RC）梁冲击作用下的动态响应进行研究，并对冲击后试件进行耐火性能试验研究，为结构进行抗冲击设计以及结构抗倒塌火灾设计提供参考。主要开展了如下研究工作：（1）进行了RC梁的落锤冲击试验研究，研究了不同冲击高度下梁的裂缝发展形态以及冲击力、支座反力、跨中位移、纵筋应变的动态响应时程，分析了不同位置处梁的加速度。（2）对冲击作用下RC梁的破坏机理进行了研究，并采用有限元软件LS-DYNA对不同冲击高度下梁的动态响应进行了数值模拟。通过对相关文献试验结果的统计分析，对冲击荷载作用下梁残余变形经验公式的适用性进行了探讨。

西安科技學院杨菊芬通过比较试验测得的构件耐火时间与规范所给耐火极限来进行耐火设计。提出的防火设计方法主要是通过计算来进行。提出钢筋混凝土结构构件火灾下极限状态的判别标准：失去稳定性、失去完整性、失去绝热性，并针对稳定性（承载力极限状态）进行研究计算。文中主要研究了二维不稳定导热，并考虑变物性的影响，利用差分方法进行数值计算，建立了温度计算的数学模型。根据建立的数学模型，以VB为工具，编制了计算机程序并且实现了仿真过程，从而十分直观的计算出钢筋混凝土各类构件火灾后的承载力。为了验证仿真过程，由试验数据和相应条件下的仿真做对比，证明了本文所采用的计算方法和仿真过程的可行性。

中南大学防灾科学与安全技术研究所中南大学防灾科学与安全技术研究所曾志长李耀庄唐毓汪洋综合国外CFRP加固混凝土结构抗火试验相关研究，总结了CFRP的高温热工性能参数。用ANSYS软件对火灾高温下不同情况（无防火保护层和有防火保护层）和不同工况（防火涂料涂抹形式）下CFRP加固后的钢筋混凝土梁进行了温度场数值模拟研究。结果表明，防火涂料厚40mm时，梁耐火极限可达2.5小时以上，且底面和两侧面全面涂抹防火涂料的防火效果最好。其研究有助于进一步深入认识CFRP加固钢筋混凝土结构在高温下的力学性能和耐火极限，且对CFRP加固后的结构防火设计具有一定的指导意义。

华南理工大学唐贵和以钢筋混凝土梁及其相邻楼板作为研究对象，从明火试验、数值模拟、参数分析和实用计算方法等方面，初步考察了钢筋混凝土T形梁及梁-板组合体的耐火性能。主要工作和结论如下：（1）开展了6根足尺钢筋混凝土简支T形梁和；（2）根对比矩形梁的明火试验，考察了荷载比、板宽等参数对简支T形梁高温破坏特征、高温变形及耐火极限的影响趋势。

广东省电力设计研究院李毅海利用有限元软件SAFIR，本文首先分析了无约束钢筋混凝土柱对应ASTME119标准升温曲线的力学性能，并与其他学者的试验结果进行了对比。随后，针对约束柱耐火极限的不同定义，分析了转动/轴向约束程度对柱耐火极限的影响规律。

湖南大学结构工程研究所湖南大学结构工程研究所宋晓勇邹银生涂文戈建立了一个理想的完全约束的钢筋混凝土柱模型，并采用这个模型对实际结构中轴心受压柱的耐火极限进行了预测和分析。研究结果表明，在截面尺寸、纵筋配筋率、保护层厚度及混凝土抗压强度等诸多因素中，保护层厚度是影响实际结构中轴心受压柱的耐火极限的最主要因素。而我国现行的设计防火规范是以截面尺寸为主要指标对钢筋混凝土柱的耐火极限进行规定，因此，建议我国的设计防火规范对钢筋混凝土柱的耐火极限进行规定时加入对保护层厚度的要求，同时建议加入防止柱表面爆裂的措施。更多还原结构中的钢筋混凝土柱耐火性能理论研究。

3 结束语

目前对钢筋混凝土梁的抗火性能研究主要集中在火灾下梁的抗弯性能，而对于火灾下钢筋混凝土梁的抗剪性能研究尚少。钢筋混凝土连续梁由于同时存在正负弯矩和反弯点，与简支梁相比受力更复杂，火灾下，连续梁的塑性内力重分布不仅改变了弯矩内力的分布，还会对梁的剪力内力分布和抗剪性能产生影响。

参考文献：

[1] 胡开赢.冲击受损后钢筋混凝土梁的耐火性能试验研究[D].湖南大学，2016.

[2] 杨菊芬.钢筋混凝土结构构件防火设计与计算[D].西安科技学院，2002

[3] 曾志长，李耀庄，唐毓，汪洋.火灾高温下CFRP加固钢筋混凝土梁温度场分析[J].防灾减灾工程学报，2008（1）：110～116.

[4] 唐贵和.钢筋混凝土T形梁及梁—板组合体的耐火性能研究[D].华南理工大学，2014.

[5] 李毅海.结构连续性对钢筋混凝土柱耐火极限的影响[J].建筑科学，2010（11）：17～20.

[6] 宋晓勇，邹银生，涂文戈.结构中的钢筋混凝土柱耐火性能理论研究[J].铁道科学与工程学报，2005（5）：36～40.