火災(zāi)影響下的鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性分析

1、火災(zāi)影響下的鋼筋混凝土構(gòu)件可靠性指標(biāo)分析摘要：在各類現(xiàn)代建筑中，鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占有非常大的比重。在火災(zāi)高溫的作用下，鋼筋混凝上構(gòu)件的材料性能會發(fā)生嚴(yán)重的變化，構(gòu)件內(nèi)部將發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布，嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的承載性能，結(jié)構(gòu)變形顯著增加，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌和破壞。鋼筋混凝土構(gòu)件以其強(qiáng)度高、重量輕、抗震性能好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于鋼材的耐火性能較差，當(dāng)溫度在400攝氏度左右時(shí)，其屈服強(qiáng)度將降至室溫下的一半，溫度達(dá)到約600時(shí)，鋼材將基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。因此，建筑面臨的最大問題之一就是其抗火性能，一旦發(fā)生火災(zāi)，構(gòu)件的承載能力將大大降低，變形

2、顯著增加，并在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到極限狀態(tài)，因此缺乏防火保護(hù)的構(gòu)件在火災(zāi)中極易受到損害。對于這一情況亟需對其可靠成都進(jìn)行分析和測試。關(guān)鍵詞：建筑火災(zāi) 鋼筋混凝土構(gòu)件 可靠性分析 1 引言人類對火的認(rèn)識和使用，是人類認(rèn)識自然并利用自然來改善生產(chǎn)和生活條件的第一次實(shí)踐?；鸬膽?yīng)用，在人類發(fā)展史上具有極其重要的意義，進(jìn)而最終把人類與動物區(qū)分開?；馂?zāi)是指在時(shí)間和空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。在各個(gè)種類的災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、普遍地威脅人類安全和社會發(fā)展的災(zāi)害之一。隨著社會的不斷發(fā)展，在社會財(cái)富日益增多的同時(shí)，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的隱患也在增多，火災(zāi)的危害也越來越大。許多國家的統(tǒng)計(jì)表明，每年火災(zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失與該國

3、GDP的比例約為0.1%0.2%，而我國大陸地區(qū)1997年至2001年五年間，該指標(biāo)平均值為0.17%。例如:1994年珠海前山紡織城的六層混凝土框架結(jié)構(gòu)大樓發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)引起房屋倒塌，共造成93人死，156人傷;2001年“911”恐怖襲擊，恐怖分子劫持民航飛機(jī)撞擊世貿(mào)中心雙塔樓，爆炸造成世貿(mào)中心承重鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)層脫落，隨后的火災(zāi)使鋼材強(qiáng)度大幅降低，著火樓層柱群失穩(wěn)，導(dǎo)致世貿(mào)中心坍塌，造成3000多人死亡或失蹤。建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為建筑物支撐，要求其在服役期內(nèi)必須保持足夠的承載能力。圖1（9-11恐怖襲擊事件）但是建筑受火之后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部會形成不均勻分布的溫度場，在不同高溫作用下材料相應(yīng)

4、的性能也會不同程度的改變，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力下降。準(zhǔn)確地計(jì)算出高溫后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剩余承載力及其可靠度，就顯得十分必要。一直以來，眾多的國內(nèi)外學(xué)者針對火災(zāi)后構(gòu)件剩余承載力的計(jì)算方法以及可靠度的確定方法進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，得到了部分成果，然而由于火災(zāi)及災(zāi)后結(jié)構(gòu)性能變化的復(fù)雜性，仍有大量問題尚未得到完善解決，需要進(jìn)行更為深入的研究。2.1建筑火災(zāi)簡介建筑火災(zāi)的發(fā)展過程 一般建筑物的火災(zāi)可分為三個(gè)階段，即初始點(diǎn)燃階段、充分燃燒階段和衰減熄滅階段，如圖2所示。在初始點(diǎn)燃階段的室內(nèi)溫度較低，其持續(xù)時(shí)間由火源的類型、物質(zhì)的燃燒性能及室內(nèi)通風(fēng)條件來決定。當(dāng)室內(nèi)通風(fēng)較差時(shí)火災(zāi)可能因氧氣不足而熄滅;若室內(nèi)

5、通風(fēng)良好，隨著可燃?xì)怏w充斥房間，室內(nèi)的可燃物將會在幾乎同一時(shí)刻開始燃燒，也就是產(chǎn)生所謂的轟燃現(xiàn)象。轟燃現(xiàn)象的產(chǎn)生也標(biāo)志著火災(zāi)進(jìn)入了充分燃燒階段。在充分燃燒階段，發(fā)生火災(zāi)的室內(nèi)溫度將達(dá)到最高點(diǎn)，熱輻射和熱對流加劇，火焰可能自通風(fēng)口燒到室外。充分燃燒階段的長短以及火災(zāi)可能達(dá)到的最高溫度是由可燃物的多少、門窗等通風(fēng)口的大小和部位以及室內(nèi)墻體的熱工性能等因素決定的。當(dāng)燃料耗盡，室內(nèi)溫度降至最高溫度的80%時(shí)即認(rèn)為火災(zāi)進(jìn)入到了衰減熄滅階段。在衰減燃燒階段室內(nèi)溫度逐漸降低，直至可燃物耗盡后火漸漸熄滅。 建筑火災(zāi)的類型根據(jù)火災(zāi)空間的大小和幾何形狀可分為一般室內(nèi)火災(zāi)和高大空間火災(zāi)。對于一般室內(nèi)火災(zāi)是指體積數(shù)量

6、級在100平方米，且失火房間的長寬比不大的情況;高大空間火災(zāi)是指高度大于4米，面積大于500平方米，的一類建筑。由于轟燃現(xiàn)象發(fā)生后，需要大量的氧氣來維持可燃物的燃燒，當(dāng)失火空間較小時(shí)，若不能從室外補(bǔ)充氧氣室內(nèi)氧氣將會很快耗盡。顯然火災(zāi)燃燒的釋熱率受到房間的開口情況制約，據(jù)此可將轟燃后的火災(zāi)燃燒分為通風(fēng)控制型火災(zāi)和燃料控制型火災(zāi)。一般來說，高大空間火災(zāi)為燃料控制型火災(zāi)，一般室內(nèi)火災(zāi)為通風(fēng)控制型火災(zāi)。圖2室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程三、火災(zāi)后鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能 鋼筋混凝土構(gòu)件在遭受火災(zāi)高溫作用后其力學(xué)性能會發(fā)生劣化，從而使得整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗力水平下降，影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性。因此，在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)

7、行分析評估前，首先要進(jìn)行高溫后構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體抗力衰減的定量分析，然后進(jìn)行剩余承載力的計(jì)算和安全性評估，而且在這個(gè)過程中要考慮材料的力學(xué)性能受溫度的影響程度。 混凝土材料作為一種熱惰性材料，在受火升溫后會出現(xiàn)截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生損傷，抗力水平下降。顯然，高溫后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場及其變化決定了結(jié)構(gòu)在高溫下的力學(xué)反應(yīng)，而一般情況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件高溫下的力學(xué)反應(yīng)不會對結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成的溫度場分布產(chǎn)生影響，只有一種情況例外，那就是當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)較寬的裂縫的時(shí)候，高溫氣流會通過裂縫侵入到構(gòu)件內(nèi)部，使得一定范圍內(nèi)的局部溫度發(fā)生變化，但是這種影響范圍很小。3.1鋼筋在高溫下的性能指標(biāo)鋼筋在高溫下的力

8、學(xué)性能 由于高溫下復(fù)雜的物理化學(xué)作用，鋼材的強(qiáng)度將會降低。當(dāng)溫度達(dá)到300時(shí)，鋼筋的屈服臺階將會消失。鋼筋屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值隨溫度的變化由系數(shù)Ks(T )描述： 按照歐洲規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)火災(zāi)下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中的受拉筋應(yīng)變大于2000s時(shí)：Ks(T )=1.0 20T350Ks(T)=(6650-9T )/3500 350T700 Ks(T)=(1200-T)/5000 700T1200當(dāng)受拉筋應(yīng)變小于2000s時(shí):Ks(T)=1.0 20T100Ks(T)=(1100-T) / 1000 100T400 Ks(T)=(8300-12T) /5000 400T650Ks(T)=(1200-T) /

9、5500 650T1200對于受壓區(qū)鋼筋的屈服強(qiáng)度，仍可按計(jì)算退化系數(shù)，并采用與類似的方法計(jì)算。3.2混凝土材料在高溫下的性能指標(biāo)混凝土材料在遭受高溫后的抗壓強(qiáng)度 混凝土材料作為一種以粗細(xì)骨料為骨架，以膠結(jié)材料膠結(jié)而成的多相、多組分的復(fù)合材料，自身性能復(fù)雜多變，受外界影響較多，就使得人們在該方面的研究成果存在很大差異。但是經(jīng)過科學(xué)整理分析，發(fā)現(xiàn)研究成果仍有很多共同見解，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面: (1)當(dāng)混凝土材料所經(jīng)歷的最高溫度T300時(shí)，抗壓強(qiáng)度與常溫下的抗壓強(qiáng)度基本保持一致;當(dāng)400T700時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會隨著溫度的升高下降劇烈;當(dāng)T900時(shí)，抗壓強(qiáng)度會下降到常溫下抗壓強(qiáng)度的10%左右。

10、(2)高溫后冷卻的方式及骨料類型對抗壓強(qiáng)度有一定程度的影響。比如相同的溫度作用后,采用噴水冷卻后的抗壓強(qiáng)度較采用自然冷卻后的抗壓強(qiáng)度要低;相同的溫度作用后，硅質(zhì)的材料強(qiáng)度較鈣質(zhì)材料強(qiáng)度損失大;輕質(zhì)骨料混凝土的強(qiáng)度在溫度升高后的下降幅度較粗骨料小等。 (3)混凝土材料在高溫條件下強(qiáng)度的衰減度較升至相同高溫再冷卻至室溫后的強(qiáng)度衰減要低。 (4)一定外界壓力的存在會使得混凝土試件的高溫抗壓強(qiáng)度比無壓力純升溫條件下試件的強(qiáng)度要高。 高溫后混凝土強(qiáng)度和溫度之間的回歸公式。 T200 T200式中，-溫度T作用后混凝土材料的抗壓強(qiáng)度： -常溫下混凝土材料的抗壓強(qiáng)度。 通過對比發(fā)現(xiàn)，骨料的類型對于強(qiáng)度折減系

11、數(shù)影響較強(qiáng)度等級對其影響程度要顯著的多。這是由于骨料最為混凝土材料的主要組成部分之一，其在高溫下性能的熱穩(wěn)定性的優(yōu)劣直接會影響混凝土的開裂與否。混凝土一旦開裂就直接導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的大幅度下降。 定義Kc為混凝土材料試件在經(jīng)歷高溫T并降至常溫后的抗壓強(qiáng)度.與常溫下的抗壓強(qiáng)度之比，則:四川省消防科研所實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了系數(shù)Kc的取值如下表所示：T（）100200300400500600700800Kc0.940.810.760.620.500.380.280.17 高溫后混凝土強(qiáng)度因?yàn)槔鋮s方式的不同其變化的大小也不同，文獻(xiàn)5通過實(shí)驗(yàn)就不同的冷卻方式對高溫后混凝土強(qiáng)的影響進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明空氣冷卻

12、后的強(qiáng)度低于爐內(nèi)冷卻的強(qiáng)度，這是因?yàn)榭諝饫鋮s條件下的試件內(nèi)外溫差較大，加重了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷;冷水冷卻后的強(qiáng)度要比自然冷卻后的混凝土強(qiáng)度低，主要是由于混凝土受到高溫作用之后遇冷水突然冷卻，使其構(gòu)件內(nèi)外的溫度場分布極不均勻，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和大量裂縫的產(chǎn)生。4.可靠性的基本概念結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力成為可靠性。反之，若結(jié)構(gòu)無法完成規(guī)定的功能稱為失效。顯然，結(jié)構(gòu)的可靠與失效是一對互補(bǔ)事件。實(shí)際應(yīng)用中為了定量地進(jìn)行分析計(jì)算引入了可靠度的概念來描述可靠性，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。目前，計(jì)算結(jié)構(gòu)可靠度應(yīng)用最廣泛的模型稱為應(yīng)力強(qiáng)度模型，即認(rèn)為結(jié)

13、構(gòu)的可靠度就是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大于其承受的應(yīng)力的概率。為了分析結(jié)構(gòu)的可靠性，作出以下基本假定:(1)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與施加于其上的應(yīng)力各由一個(gè)非負(fù)的隨機(jī)變量或隨機(jī)過程來表示； (2)當(dāng)應(yīng)力不大于強(qiáng)度時(shí)認(rèn)為結(jié)構(gòu)是可靠的，反之認(rèn)為結(jié)構(gòu)是失效的； (3)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的作用是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的唯一原因； (4)采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過程表示的一切力學(xué)公式均可適用于結(jié)構(gòu)可靠性分析。 需要說明的是，目前關(guān)于可靠性設(shè)計(jì)的研究基本上是基于構(gòu)件的，上述的基本假定實(shí)際上只考慮了結(jié)構(gòu)可靠性的一個(gè)方面，是為了方便的研究構(gòu)件失效，與體系失效并非完全相同。 按照工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定義，當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定的狀態(tài)就不能滿足

14、設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求時(shí)，此狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。在進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)可靠性分析時(shí)需要建立結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)學(xué)函數(shù)模型，稱為結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。它可以描述為:其中X1,X2,.,Xn為描述結(jié)構(gòu)某一功能所需的。個(gè)隨機(jī)變量或隨機(jī)過程。顯然，在上式中，Z是一個(gè)隨機(jī)變量或隨機(jī)過程，當(dāng)Z>O時(shí)代表結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài);當(dāng)Z<0時(shí)代表結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài);當(dāng)Z=O時(shí)代表結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)，稱為極限狀態(tài)方程。有了結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，我們可以方便的表示結(jié)構(gòu)的可靠度和失效概率:式子中，Ps為結(jié)構(gòu)可靠的概率，Pf為結(jié)構(gòu)失效的概率。由概率論基本知識可知：4.1結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的推導(dǎo)結(jié)構(gòu)可靠性概念的提出是由于結(jié)構(gòu)可靠度的表達(dá)式通常是

15、一個(gè)高維積分，由于計(jì)算的對應(yīng)的數(shù)據(jù)來源很多變量很多，其維數(shù)與功能函數(shù)中所包含的隨機(jī)變量的個(gè)數(shù)相同。當(dāng)組成結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的隨機(jī)變量較多時(shí)，很難直接進(jìn)行計(jì)算。為了得到計(jì)算簡便且精度滿足工程要求的可靠度計(jì)算方法，引入可靠性指標(biāo)這一概念。 設(shè)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z服從正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為可知:可令，則，當(dāng)z=0時(shí)；當(dāng)z趨近于無窮時(shí)，t也趨近于無窮。則此式可以以轉(zhuǎn)化：則此時(shí)可稱為結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)。 假設(shè)功能函數(shù)可以簡單的表示為Z=R-S，其中R和S分別代表抗力和載荷均服從正態(tài)分布。根據(jù)概率論的一些基本知識可得:再經(jīng)由概率論只是對數(shù)正太分布時(shí)則可得到可靠性指標(biāo)。4.2依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對可靠性指標(biāo)分析依據(jù)我國建筑

16、結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中所采用的可靠性模型。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用的可靠性指標(biāo)(可靠度分析)，并考慮使用經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)因素的確定。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)，不應(yīng)小于表-1的規(guī)定。結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)破壞類型安全等級一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2表-1b為-無因次的系數(shù)，稱可靠性指標(biāo)， 是失效概率的度量。越大，失效概率越小，故可靠度越大。 在某種分布下，當(dāng)常量時(shí)，僅僅隨著變化。而當(dāng)增加時(shí)，會使概率密度曲線由于增加而向右移動，將由此減少，從而使可靠度增大?？煽恐笜?biāo)增加，結(jié)構(gòu)可靠度增大；減小，結(jié)構(gòu)可靠度也減小，因此，可以作為表示結(jié)構(gòu)可靠性程度的一個(gè)重要依據(jù)參數(shù)。5、 結(jié)論本文中主要是結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以及前輩們做過的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)論以及成熟的數(shù)學(xué)理論知識，對實(shí)際工程中的受火構(gòu)件進(jìn)行了可靠度分析。通過對可靠度這一指標(biāo)參數(shù)的分析可以評定出受火構(gòu)件的結(jié)構(gòu)可靠度，這指標(biāo)參數(shù)可以作為一個(gè)重要依據(jù)參數(shù)進(jìn)行火災(zāi)影響下的鋼筋混凝土構(gòu)件的可靠性分析。在分析參數(shù)中發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件后的可靠度計(jì)算的基本原理