鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗高溫性能研究綜述

1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗高溫性能研究綜述結(jié)構(gòu)工程 褚洪民 05171173【摘要】隨著鋼筋混凝土在現(xiàn)代建筑中越來越廣泛的使用和近年來建筑物火災(zāi)發(fā)生的增長,人們有必要對混凝土結(jié)構(gòu)的火損傷行為有更系統(tǒng)和量化的理解。在高溫(火災(zāi))條件下,鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)性能將發(fā)生重要的變化,比方抗壓、抗拉強度,粘結(jié)錨固性能損失等等。本文就從高溫(火條件)下及高溫后普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋及混凝土等結(jié)構(gòu)材料在材料性能退化規(guī)律的研究成果方面進行簡要的介紹,從而掌握鋼筋混凝土抗高溫的性能規(guī)律，為保障火災(zāi)時人民的生命財產(chǎn)平安做出奉獻?！娟P(guān)鍵詞】鋼筋；混凝土；高溫；抗火性能 Resistive Behavior of Reinforce

2、d Concrete Structure under and after High Temperature: A ReviewChu Hong-min (civil engineering)Abstract: With the extensive use of reinforced concrete in modern buildings and the rise in fire occurrences in recent years, a more thorough and quantitative understanding of fire damage to concrete is ne

3、eded. When exposed to high temperatures, such as in a fire, reinforced concrete undergoes a series of changes in its mechanical properties such as compressive strength, tensile strength and bond strength between the steel and concrete. In this paper, a review is presented concerning the deterioratio

4、n law of behavior of structural materials, such as reinforcements, pre-stressing tendons, concrete, etc., under and after high temperature. It provides a reference for further study of fire resistance behavior and the damage assessment of high performance concrete structure. So that people can maste

5、r the law of the property of fire resistance of the reinforce concrete and can contribute to the protection of the poles life and their property.Keywords: reinforcement; concrete; high temperature; the property of fire resistance火在人類進化和生產(chǎn)力開展過程中,產(chǎn)生過巨大的推動作用.但是,火失控造成的火災(zāi)給人類的生命財產(chǎn)亦帶來巨大危害.在各種火災(zāi)中發(fā)生次數(shù)最多,損失最嚴(yán)

6、重者當(dāng)屬建筑物火災(zāi).國內(nèi)外建筑物火災(zāi)實例說明,由于在設(shè)計上對防火措施考慮不夠周密,火災(zāi)對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大的破壞作用.隨著城市人口的日益密集及高層建筑的迅速開展,消防的難度也隨之增加, 特別是2001年“9.11事件以后，全世界的工程設(shè)計與研究人員更加重視大型工程結(jié)構(gòu)的高溫(火)損傷破壞研究同時人們也對高溫下鋼筋混凝土性能進行系統(tǒng)深入的研究.許多國家都建成了能進行建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究的大型試驗裝置,相繼成立了許多抗火組織,前蘇聯(lián)、美國、瑞士、法國相繼公布了鋼筋混凝土抗火設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).我國內(nèi)對鋼筋混凝土的高溫性能研究起步較晚.20世紀(jì)60年代冶金部建筑科學(xué)研究院等單位進行過高溫下混凝土強度的試驗研究

7、;公安部所屬的消防研究所主要是對建筑物的耐火等級以及建筑構(gòu)件的耐火性能進行研究,而較少涉及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面的性能研究.20世紀(jì)80年代中期開始,清華大學(xué)、同濟大學(xué)、西南交通大學(xué)等單位使用自行研制的高溫試驗設(shè)備,對高溫下、高溫后鋼筋和混凝土的本構(gòu)模型、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在高溫下的反響以及災(zāi)后評估修復(fù)等問題進行了大量的試驗研究,取得了較為豐實的研究成果.1 鋼筋混凝土構(gòu)件截面溫度場的計算高溫作用下,材料性能受到不同程度的損傷,混凝土的強度和彈性模量隨溫度升高而降低,鋼筋雖有混凝土保護,強度也會降低.無論是進行高溫下和高溫后鋼筋混凝土材料的強度和變形規(guī)律研究,以及鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)抗火性能的理論分析,還

8、是計算構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的高溫承載力和火災(zāi)后剩余承載力,都必須首先分析構(gòu)件的截面溫度場.在火災(zāi)中,鋼筋混凝土構(gòu)件截面的溫度分布隨著時間發(fā)生變化,升溫曲線!構(gòu)件截面形狀!材料的熱工性能等都會影響截面的溫度場.在確定結(jié)構(gòu)溫度場時,一般可根據(jù)工程要求的計算精度采用如下幾種方法:簡化成穩(wěn)態(tài)的和線性的一維或二維問題,求解析解;用有限元法或差分法,或二者結(jié)合的方法,編制計算機程序進行數(shù)值分析,有些通用的結(jié)構(gòu)分析程序可以計算簡單的溫度場問題;制作足尺試件進行高溫試驗,加以實測;直接利用有關(guān)設(shè)計規(guī)程和手冊所提供的溫度場圖表或數(shù)據(jù).1.1 火災(zāi)溫度確實定方法文獻1認(rèn)為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)采用的火災(zāi)升溫曲線能滿足大多

9、數(shù)火災(zāi)的升溫曲線,為多數(shù)國家所采用.標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線可按公式(1)計算: 1式中 T在時間t時的爐溫,; 加溫前爐內(nèi)溫度,t時間,min根據(jù)火災(zāi)區(qū)域面積!可燃物種類和數(shù)量、通風(fēng)條件等計算出火災(zāi)燃燒持續(xù)時間,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線推算出火災(zāi)溫度,或者根據(jù)火災(zāi)后現(xiàn)場殘留物燃燒情況來判斷火災(zāi)溫度.求得火災(zāi)溫度后,可根據(jù)熱傳導(dǎo)理論計算出構(gòu)件外表溫度和截面溫度場.1.2 混凝土的熱工性能在分析截面溫度場時,必須掌握材料的根本熱工性能,比方溫度膨脹變形、單位熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量密度等.這些參數(shù)的數(shù)值因材料而異,隨溫度的升高而非線性地變化.混凝土的熱工性能因原材料的礦物化學(xué)成分!配合比和含水率等因素的差異而有較大

10、變化,且試驗數(shù)據(jù)的離散度大,下面簡單列舉各參數(shù)的一般變化規(guī)律.(1)質(zhì)量密度:混凝土升溫后失水,質(zhì)量密度略有減小,計算時一般取常值2400kg/m3.(2)熱膨脹系數(shù):隨溫度增加,不同骨料混凝土的值都將增大,但超過一定溫度(T800)時, 近似常數(shù),為簡化計算,不考慮骨料類型的影響,直接給出與溫度的關(guān)系: 1/ (2)(3)單位熱容量Cc:指單位質(zhì)量的材料溫度升高1所吸入的熱量.混凝土的單位熱容量隨溫度的升高而緩慢增大,而骨料類型!配合比和水分對混凝土的熱容量影響都不大.文獻2給出了簡化的計算公式: () 20T1200 (3)(4)導(dǎo)熱系數(shù):指單位溫度梯度情況下通過單位面積的熱流速度,單位為

11、W/().混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而明顯減少,不同骨料的混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)可相差一倍以上.當(dāng)溫度升高后,除了輕骨料混凝土外,一般常用的混凝土骨料對導(dǎo)熱系數(shù)影響隨溫度升高而減小.因此,文獻3給出了導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的簡化關(guān)系式: (4)2 結(jié)構(gòu)材料的抗高溫力學(xué)性能結(jié)構(gòu)的抗火性能包括結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時和火災(zāi)后的承載能力、變形能力、穩(wěn)定性和完整性.結(jié)構(gòu)材料的高溫性能(高溫下和冷卻后)是研究結(jié)構(gòu)抗火性能的根底.鋼筋混凝土材料的高溫性能主要包括鋼筋和混凝土在高溫下和冷卻后的強度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、膨脹、收縮、徐變及兩種材料間的粘結(jié)滑移性能.文獻1根據(jù)已有的工程實踐經(jīng)驗和試驗研究成果，抗高溫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具

12、有下述受力特點：1不均勻溫度混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)極低。結(jié)構(gòu)受火后外表溫度迅速升高，但桿系結(jié)構(gòu)一般不考慮沿構(gòu)件縱向的溫度不均勻性。決定截面溫度場的主要因素是火災(zāi)溫度和持續(xù)時間，以及構(gòu)件的形狀、尺寸和混凝土的熱工性能等。溫度場對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和承載力等有很大影響。2材料性能的嚴(yán)重惡化高溫下，鋼筋和混凝土的強度和彈性模量降低很多，混凝土還出現(xiàn)開裂、邊角崩裂等現(xiàn)象，是構(gòu)件的承載力和耐火極限嚴(yán)重下降的主要原因。3應(yīng)力應(yīng)變溫度時間的耦合本構(gòu)關(guān)系分析一般的常溫結(jié)構(gòu)時，只需要材料的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。高溫結(jié)構(gòu)的溫度值和持續(xù)時間對于材料的變形及強度值影響很大。4截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布截面的不均勻溫度場產(chǎn)生不等的

13、溫度變形和截面應(yīng)力重分布。超靜定結(jié)構(gòu)因溫度變形受約束而發(fā)生內(nèi)力重分布，改變了結(jié)構(gòu)的破壞機構(gòu)和破壞形態(tài)，影響了極限承載力。2.1 鋼筋2.11 鋼筋高溫下的強度在一般的鋼筋混凝土構(gòu)件中,常用的鋼筋主要分為預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋高溫(火條件)下,鋼筋的強度和變形性能的變化必然影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能，特別是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),一旦發(fā)生火災(zāi),就會因為鋼筋在高溫下的短期徐變比常溫下要大得多,而且在較高溫度和較高應(yīng)力水平下的鋼筋短期徐變將趨向于不穩(wěn)定狀態(tài),致使結(jié)構(gòu)的變形量增大等原因,而將引起預(yù)應(yīng)力高強鋼筋(絲)的預(yù)應(yīng)力喪失,鋼筋(絲)的強度顯著降低,結(jié)構(gòu)的承載能力嚴(yán)重受損因此,研究高溫(火條件)下鋼筋的

14、受力性能是十分必要的。普通低碳鋼筋隨溫度升高屈服臺階逐漸減小,到300時屈服臺階消失其屈服強度可按0.2%的剩余變形確定.鋼筋在400以下,其強度還比常溫時略高,但塑性降低.超過400時,強度隨溫度升高而降低,塑性增加.低合金鋼筋在300以下時,其強度略有提高,但塑性降低超過300時,其強度降低而塑性增加.低合金鋼筋強度降低幅度比普通低碳鋼筋小.冷加工鋼筋(冷拉冷拔)在冷加工過程中所提高的強度隨溫度升高而逐漸減小和消失,但冷加工所減小的塑性可得到恢復(fù)高強鋼絲沒有明顯的屈服強度,在火災(zāi)高溫作用下,其高溫抗拉強度值降低要比其它鋼材更快.文獻11給出了各種類型的鋼筋在高溫下設(shè)計強度降低系數(shù).而對于預(yù)

15、應(yīng)力鋼筋,其強度在高溫下的降低速率較普通鋼筋的快。另外,在高溫下其還易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。當(dāng)溫度變化時,預(yù)應(yīng)力鋼筋會因熱脹冷縮現(xiàn)象而隨之發(fā)生應(yīng)變變化。處于高溫環(huán)境(溫度大于100)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋,隨溫度升高而產(chǎn)生的伸長應(yīng)變與溫差之間不再符合線性關(guān)系,這是因為高溫作用同時會使預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量也發(fā)生改變,并且預(yù)應(yīng)力鋼筋在處于比一般溫度下的應(yīng)力狀態(tài)更高的高應(yīng)力狀態(tài)時,就必將會引起高溫下鋼材的蠕變和松弛急增,從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生進一步的損失而減少。在文獻18中說明了當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋的受熱溫度到達(dá)200時,其預(yù)加應(yīng)力值將減少45%55%;受熱到達(dá)300時,幾乎將失去全部預(yù)加應(yīng)力。

16、鋼筋高溫后強度高溫后,冷卻鋼材使其溫度下降,其材料性能得到適當(dāng)恢復(fù),此時其強度比高溫下的強度要高出許多。比方:當(dāng)遭受的最高溫度低于600時,普通鋼筋性能根本上可完全恢復(fù),本構(gòu)關(guān)系也可與災(zāi)前取為相同文獻34。由此可見,高溫后的普通鋼筋的強度要比高溫下的強度高。普通鋼筋高溫后的強度降低主要是由于遭受的溫度600時鋼筋外表的脫碳現(xiàn)象等引起的。鋼筋的冷卻方式主要有爐內(nèi)冷卻、空氣冷卻、噴水冷卻三種,但目前一般在火災(zāi)下常用的冷卻方式是噴水冷卻。在對試驗結(jié)果進行分析、比擬后發(fā)現(xiàn)冷卻方式對高溫后普通鋼筋強度影響不大,可不予考慮。文獻25中給出了高溫后熱軋鋼筋屈服強度的退化規(guī)律: 42.2 混凝土 強度 混凝土

17、是一種地方性人工材料,其力學(xué)性能隨原材料的礦物成分和配合比而變化.由于內(nèi)部存在微裂縫且缺少統(tǒng)一試驗標(biāo)準(zhǔn),已有的試驗數(shù)據(jù)比擬離散,但變化規(guī)律根本一致.混凝土受到高溫作用時水泥石收縮,骨料隨溫度升高產(chǎn)生膨脹,兩者變形不協(xié)調(diào)使混凝土產(chǎn)生裂縫,強度降低.當(dāng)溫度到達(dá)400以后,混凝土中的Ca(OH)2脫水,生成CaO,混凝土嚴(yán)重開裂.當(dāng)溫度大于570時,骨料體積發(fā)生突變,強度急劇下降.影響混凝土高溫下抗壓強度的因素很多,尤其是加熱速度、不同溫度應(yīng)力途徑、配合比、骨料類型等.文獻4考慮不同溫度應(yīng)力史,給出了混凝土高溫強度上、下限的計算式,而一般的溫度應(yīng)力途徑下的強度處于上、下限之間,隨初始應(yīng)力和溫度變化十

18、清楚顯.文獻5認(rèn)為粗骨料相同而強度等級不同的混凝土在同一高溫下的抗壓強度值()相差一般不超過3個百分點;強度等級相同的混凝土,花崗石骨料比石灰石骨料混凝土的高溫抗壓強度稍低.圖2.2-1、2.2-2給出了高溫下棱柱體抗壓強度變化規(guī)律。隨著溫度的升高,其抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸趨于扁平。圖2.2-1 棱柱體抗壓強度 圖2.2-2 應(yīng)力應(yīng)變曲線混凝土在火災(zāi)(高溫)后的剩余強度對于評估受損結(jié)構(gòu)的平安度和制定加固方案有重要意義.文獻6考慮了高溫前混凝土的含水率、試件尺寸、熱處理制度及高溫后試件存放時間對混凝土強度的影響.認(rèn)為濕度高的混凝土高溫后剩余強度較濕度低的相應(yīng)強度低,但隨混凝土含水率的下降,濕度對

19、強度影響變得不太敏感;大尺寸試件在200前強度低于小尺寸試件,可能是由于內(nèi)部蒸汽壓大混凝土破壞;200后小尺寸試件內(nèi)部最先到達(dá)最高溫度,且恒溫時間長,損傷大,高溫后剩余強度低于大尺寸試件;快速冷卻造成試件內(nèi)外很大溫差,加重混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷,使高溫后強度比緩慢冷卻下的低;恒溫2h強度比1h強度低,但差異不大.文獻5的試驗結(jié)果說明高溫后剩余抗壓強度與高溫下的抗壓強度值很接近,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和抗壓強度在緩慢降溫過程中及回到室溫后無大變化.文獻19考慮了冷卻方式及冷卻后所處環(huán)境等因素對高溫后混凝土抗壓強度的影響,認(rèn)為噴水冷卻比自然冷卻強度要低,冷卻后放在潮濕環(huán)境中的混凝土抗壓強度要低于放在自然環(huán)境中

20、的混凝土抗壓強度.文獻7給出高溫后混凝土強度在不同升溫速率下試驗結(jié)果的差異.高溫燃油爐比電爐升溫速率快,高溫燃油爐升溫曲線條件下的混凝土強度呈逐漸下降趨勢,而電爐升溫曲線條件下的混凝土強度在25400溫度范圍內(nèi)下降不明顯,而400以后下降較快.并比擬了高強混凝土與普通混凝土高溫后強度變化規(guī)律,二者相似,但高強混凝土強度損失比普通混凝土強度損失大.溫度較低時,高強混凝土強度下降不明顯;當(dāng)溫度高于600時,強度大幅度下降.文獻24進行了高溫后高強混凝土的力學(xué)性能試驗研究,并與普通混凝土進行了比擬,發(fā)現(xiàn)在常溫至500溫度范圍內(nèi),高強混凝土具有明顯不同于普通混凝土的特點,快速升溫時發(fā)生爆裂現(xiàn)象,其抗火

21、性能低于普通混凝土.變形 混凝土的應(yīng)變是混凝土結(jié)構(gòu)受力分析中最根本的參數(shù)之一.在較低的溫度范圍內(nèi)(80以內(nèi))當(dāng)混凝土承受外來荷載并同時考慮溫度作用時,計算應(yīng)變的方法是二者簡單的迭加.但是大量的試驗研究說明,當(dāng)溫度較高(80以上)時,處于壓應(yīng)力狀態(tài)的混凝土在升溫過程中,產(chǎn)生較顯著的瞬態(tài)熱應(yīng)變和短期高溫徐變,使得其膨脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述方法迭加的結(jié)果,甚至產(chǎn)生壓縮變形.其中,瞬態(tài)熱應(yīng)變的數(shù)值很大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常溫下混凝土的受壓峰值應(yīng)變,也大于高溫時的短期徐變.瞬態(tài)熱應(yīng)變的存在使得混凝土在高溫下產(chǎn)生應(yīng)力松弛或應(yīng)力重分布,因此在混凝土高溫分析中必須加以考慮.盡管國內(nèi)外學(xué)者對混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變進行了試驗研究和理論

22、分析,但是其機理至今尚不清楚,一般認(rèn)為是混凝土內(nèi)水泥凝膠體在高溫時發(fā)生物理化學(xué)變化等原因引起的.文獻8以兩種根本的溫度)應(yīng)力途徑分析了不同溫度)應(yīng)力途徑下混凝土變形的巨大差異,提出高溫時應(yīng)力變形和應(yīng)力下溫度變形(即自由膨脹變形與瞬態(tài)熱應(yīng)變的差值)等概念,并給出各自的計算公式.文獻4將高溫過程中混凝土的應(yīng)變分成三局部研究,即恒溫下的應(yīng)力應(yīng)變、恒定應(yīng)力下的溫度應(yīng)變和短期高溫徐變,并給出計算公式.文獻9給出了高強混凝土自由膨脹應(yīng)變以及瞬態(tài)熱應(yīng)變的計算公式,并與普通混凝土作了比擬.分析結(jié)果說明高強混凝土在恒定應(yīng)力下的溫度變形與普通混凝土有較大不同,與初始應(yīng)力水平和溫度值密切相關(guān),得出結(jié)論如下:(1)在

23、相同溫度下,高強混凝土自由膨脹變形大于普通混凝土,且溫度越高越明顯;(2)在相同應(yīng)力水平下,高強混凝土的溫度變形大于普通混凝土;(3)在相同應(yīng)力水平下,高強混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變低于普通混凝土.以上分析結(jié)果可供高溫下高強混凝土結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計及理論分析參考.3 小結(jié)研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能對我國建筑業(yè)的蓬勃開展有很重要的意義。本文通過對鋼筋混凝土構(gòu)件的兩個主要組成局部:鋼筋和混凝土,分別在高溫下和高溫后材料性能的分析、歸納,給出了普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋及混凝土等結(jié)構(gòu)材料抗高溫的性能規(guī)律,希望能為人們研究混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能及其損傷評估能提供些幫助。參考文獻：1 過鎮(zhèn)海 時旭東?鋼筋混

24、凝土原理和分析?清華大學(xué)出版社2003年版2 段文璽.建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)分析和處理(一).工業(yè)建筑,1985(7):503 LieTT.A Procedure to Calculate Fire Resistance of Structural Members. International Seminar on Three Decades of Structural Fire Safety, 22/23, February 1983.139-1534 Beader M,Whiteman G D.Concrete Containment: A 1970 Assessment. Concrete for Nuclear Reactors, AC Isp 34, Detroit, 1972.29-545 南建林,過鎮(zhèn)海,時旭東.混凝土的溫度-應(yīng)變耦合本構(gòu)關(guān)系.清華大學(xué)學(xué)報,1997,37(6):87-906 李衛(wèi),過鎮(zhèn)海.高溫下混凝土的強度和變形性能試驗研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1993,14(1):10-167 李固華,鳳凌云,鄭盛娥.高溫后混凝土及其組成材料性能研究.四川建筑科學(xué)研究,1991,2(1):1-58 李敏,錢春香,孫偉.高溫混凝土火災(zāi)后性能變化規(guī)律研究.工業(yè)建筑,2002,32(10):34-368 過鎮(zhèn)海,李衛(wèi).混凝土在不同應(yīng)力-溫度途