談高溫下鋼筋混凝土性能的影響因素

周高遠 劉 慶

1 概述

火災條件下，鋼筋和混凝土的性能會發生劇烈的變化，這主要體現在其力學性能和熱工性能兩個方面。作為建筑物最重要的兩種材料，在火災條件下，掌握其高溫下性能的變化及其影響因素，對我們防范于未然會有很大的幫助。

2 力學性能

2.1 高溫條件下，鋼筋的力學性能的影響因素

1)強度。高溫下鋼材強度隨溫度升高而降低，降低的幅度因鋼材溫度的高低和鋼材種類的不同而不同。

表1列出了常用建筑鋼材16Mn，25MnSi在高溫下屈服強度降低系數。

表1 16Mn，25MnSi在高溫下屈服強度降低系數［1］

2)初始彈性模量。普通低碳鋼彈性模量隨溫度升高而降低，但降低的幅度比強度降低的小。表2列出了常見建筑鋼材16Mn，25MnSi在高溫下彈性模量降低系數［1］。

表2 16Mn，25MnSi在高溫下彈性模量降低系數［1］

3)變形性能。鋼材的伸長率和截面收縮率隨著溫度升高總的趨勢是增大的，而且鋼材在一定溫度和應力作用下，會發生蠕變，普通低碳鋼產生明顯蠕變的臨界溫度為300℃ ～350℃;合金鋼產生明顯蠕變的臨界溫度為400℃～450℃。

4)應力—應變曲線。當鋼材溫度低于300℃時，強度略有增加而塑性降低;當溫度高于300℃時，強度降低而塑性增加，同時屈服平臺消失，而在設計計算過程中，一般假定鋼材應力—應變曲線與常溫下的簡化曲線相似。

5)有效屈服強度。鋼材某一溫度水平時實際屈服強度或條件屈服強度，稱為鋼材的有效屈服強度，一般在進行高溫承載力計算時，取其作為鋼材的材料強度指標。

2.2 高溫條件下，混凝土的力學性能的影響因素

1)抗壓強度。朱伯龍、陸洲導、胡克旭［2］在研究中發現并提到，高溫下混凝土的抗壓強度隨著溫度的升高而降低;但是國內外的研究試驗都發現了一點，當溫度在0℃ ～400℃時，抗壓強度會出現反復、回升現象。李衛、過鎮海［3］在高溫下混凝土的強度研究中，對不同混凝土強度和粗骨料的混凝土進行試驗，從而得出了不同溫度下，混凝土高溫抗壓強度和常溫抗壓強度的對比，綜合上述研究成果，可以利用統一的經驗公式表述，參數由最小二乘法原則確定。

2)抗拉強度。文獻［4］在試驗研究中發現，高溫下混凝土的抗拉強度由于失水、縫隙和界面裂縫從而引起應力集中，所以其強度降低量比抗壓強度降低幅度更大。

3)彈性模量。文獻［5］根據試驗，得出高溫下混凝土彈性模量和常溫下混凝土彈性模量如下關系表達式:

4)本構關系。朱伯龍等［2］通過一系列試驗，給出高溫下混凝土的應力—應變數學模型:

當0＜ε(T)≤ε0(T)時:

當 ε(T)＞ ε0(T)時:

3 熱工性能

3.1 高溫條件下，鋼筋的熱工性能影響因素

1)導熱系數。一般地說，鋼材的導熱系數是隨著溫度升高而遞減的，但當溫度到758℃時，導熱系數幾乎成了常數，單位為W/(m·℃)，另外各種鋼材的熱導性不完全一致，主要受含碳量的影響，但是這種影響在設計中一般可以忽略不計。

2)比熱。鋼的比熱容隨溫度變化比較復雜。

3)熱膨脹系數。鋼材在熱應力作用下同樣產生膨脹，其膨脹率與溫度基本成正比關系。

4)質量密度。鋼材的質量密度基本不隨溫度變化而改變，在進行結構溫度場分析時，一般將質量密度取為與溫度無關的常值，即 7 850 kg/m3。

3.2 高溫條件下，混凝土的熱工性能影響因素

1)熱傳導系數。影響熱傳導系數的主要因素歸為:骨料類型、含水量、混凝土配合比和溫度;其中硅質骨料混凝土的熱傳導系數比鈣質的略大，但兩者都隨溫度的升高而有所減小，但是隨著溫度的升高，骨料對其影響會越來越小，當溫度達到800℃后骨料影響已經很小［6］。

2)比熱容。單位質量的材料，當溫度升高1 K(或1℃)所需吸入的熱量，稱為比熱容，單位為J/(kg·K)或J/(kg·℃)，文獻［7］～［9］指出比熱容隨溫度升高而逐漸增大，在100℃附近比熱容會出現一個峰值;600℃后趨于穩定。

3)熱膨脹系數。國外部分試驗表明［10，11］，骨料的種類、試件配合比與齡期、試件尺寸、加熱速率以及試件密實度等為影響混凝土熱膨脹系數的主要因素。

4)質量密度。過鎮海、時旭東［12］認為混凝土的質量密度隨溫度的變化并不很明顯，所以一般考慮認為其不隨溫度而改變，為定值2 400 kg/m3。

4 結語

高溫下，鋼筋和混凝土會受到來自方方面面影響因素的沖擊，以上所談的力學性能和熱工性能的影響因素是主要原因，也是直接原因。

［1］ 李引擎，馬道貞，徐 堅.建筑構件防火設計計算和構造處理［M］.北京:中國建筑工業出版社，1991.

［2］ 朱伯龍，陸洲導，胡克旭.高溫(火災)下混凝土與鋼筋的本構關系［J］.四川建筑科學研究，1990(1):37-43.

［3］ 李 衛，過鎮海.高溫下混凝土的強度和變形性能試驗研究［J］.建筑結構學報，1993，14(1):8-16.

［4］ 李 衛.高溫下混凝土強度與變形的試驗研究［D］.北京:清華大學土木系，1996.

［5］ 陸洲導.鋼筋混凝土梁對火災反應的研究［D］.上海:同濟大學博士學位論文，1989.

［6］ 混凝土結構設計規范修訂組.混凝土結構設計規范修訂試設計報告［R］.北京:建設部，1999.

［7］ Schneider U.Behaviour of Concrete at High Temperature:Report to RILEM Committee［C］.The Hague，1982:72.

［8］ Harmathy T Z，Allen L W.Thermal Properties of Selected Masonry Unit Concrete［J］.ACI，1973，70(2):132-142.

［9］ Federation Internationale de la Précontrainte.FIP/CEB Report on Methods of Assessment of the Fire Resistance of Concrete Structural Members.FIP，1978.

［10］ Harade T.Strength，Elasticity and Thermal Properties of Concrete Subjected to Elevated Temperature.ACI SP 34-19，Detroit，1972:377-406.

［11］ Weigler H，Fisher R.Influence of High Temperature on Strength and Deformation of Concrete.ACI SP 34-26，Detroit，1972:481-493.

［12］ 過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算［M］.北京:清華大學出版社，2003.