鋼筋混凝土高溫性能研究綜述

盧 楊楊 增

1中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系（221000）2中國人民解放軍空軍勤務學院后勤指揮系（221000）

混凝土自誕生以來,由于其具有良好的塑性、較高的后期強度、造價低廉等諸多優點，被廣泛應用于工業、民用建筑、國防軍事防護等工程。混凝土本身是不可燃性材料，但其在高溫環境中發生一系列復雜的物理和化學變化，導致其性能劣化而最終影響工程結構的安全。國內外針對經過高溫作用后的混凝土在微觀組成上的改變、宏觀力學性能的變化以及如何改善混凝土的高溫力學性能等方面做了大量研究工作[1]。現將對近年來國內外學者關于鋼筋混凝土結構在高溫下主要性能研究進行歸納綜述。

1 國外研究現狀

國外對混凝土結構的高溫力學性能的研究較早,美國中央標準局在1925年即對混凝土柱進行了高溫試驗。20世紀50年代開始重視結構的抗火性能，并開始了大量研究工作[2]，如波特蘭水泥協會、美國混凝土協會、美國預應力混凝土協會、歐洲國際混凝土協會、德國的Braunschweig工業大學、英國的BRE(Building Research Establishment)以及加拿大的國家研究院等都成立了抗火研究小組，主要研究高溫下混凝土材性、板、梁、柱的抗火性能和計算方法。

1991年，Lie在自己多年試驗研究的基礎上，通過數值模擬分析計算鋼筋混凝土柱的耐火極限，計算結果與試驗數據吻合較好。通過差分法計算高溫后柱截面溫度場，根據初等梁理論，不斷改變柱中間截面的軸向荷載及曲率來計算根據混凝土的應力—應變關系，再由二者的本構關系計算柱截面的軸力及彎矩，從而求出火災后柱的極限荷載。1999年比利時科學家Dotreppe、Franssen利用SAFIR分析影響受火鋼筋混凝土柱的因素,如保護層厚度、配筋率、截面尺寸、荷載比等，并回歸出數學公式，得出的結果與試驗非常吻合。2003年新加坡南洋科技大學Tan與Ya也應用SAFIR著火的時間對柱子剛度的影響，得出了著火的時間對柱子剛度影響的一般規律并回歸出簡單的數學公式[3]。另外如美國、日本、英國、歐洲等一些國家對抗火研究做了大量的試驗及理論研究。對普通的鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼結構的柱、梁、框架、板等建筑結構的防火設計做了很多試驗，并且做了關于整棟樓房耐火試驗。隨后，美國、日本、法國、加拿大、英國等國家先后制定了建筑結構抗火設計規范[4]。

上述分析表明，國外大多數學者都是通過試驗來對鋼筋混凝土柱進行耐火極限及其力學行為分析，以試驗為基礎進行編程數值模擬分析鋼筋混凝土柱高溫后的力學性能,數值模擬分析與試驗吻合，得出一定的規律再回歸出數學計算公式，就可以把它作為分析鋼筋混凝土柱的耐火方法或標準。

2 國內研究現狀

國內對鋼筋混凝土結構的抗火性能研究起步較晚，相關鋼筋混凝土結構抗火性能的試驗研究落后于國外，但近十幾年來這方面研究發展較快。冶金部建筑科學研究院在20世紀60年代進行過混凝土高溫強度的試驗研究；公安部天津消防科研所最早建成了大型的構件耐火試驗裝置，主要用于建筑產品的檢驗和建筑構件的耐火極限試驗研究；中國建筑科學研究院和上海遠東防火試驗中心也引進了大型的構件抗火試驗裝置，可以進行各種結構構件的抗火試驗；從20世紀80年代起，同濟大學、清華大學、哈爾濱工業大學、中南大學等高校先后就高溫下混凝土力學性能[5]、鋼筋混凝土構件內部溫度分布[6]、鋼筋混凝土構件[7]及結構的抗火性能等方面開展了試驗和理論研究。

清華大學過鎮海、時旭東等對建筑結構高溫下及高溫后構件性能進行了多項研究，主要內容為∶鋼筋與混凝土的高溫變形、高溫強度，不同溫度、應力下混凝土的強度與變形，溫度、應力、時間耦合作用下鋼筋和混凝土的本構關系以及力學性能，材料的熱工性能參數，熱傳導理論，火災—溫度—時間曲線，溫度場理論分析方法[8]。經過試驗研究發現適當提高混凝土保護層的厚度可以提高構件強度，降低結構變形[9]。不同受火面對結構的受力性能影響很大，比較了兩面受火與三面受火對鋼筋混凝土壓彎構件性能的影響[10]。做了關于鋼筋混凝土壓彎構件不同升溫、加載途徑下受力性能試驗，考察了先加載后升溫與先升溫后加載對構件抗火性能的區別，并得出了一定的規律[11]。研究了不同溫度工況下均勻受火與不均勻受火對軸心受壓柱和偏心受壓柱強度、變形等力學性能的影響。中國科學技術大學做了關于火災從發生、傳播、熄滅整個過程的模擬分析，并研究了火災熱量、火場氣流、火災溫度的空間分布規律。華南理工大學吳波等人做了關于高溫下與高溫后鋼筋與普通混凝土力學性能試驗研究，火災后鋼筋混凝土結構損傷評估方法，火災受損后結構抗震性能，通過試驗數據回歸分析得出了一定規律，為進一步結構抗火設計奠定了理論基礎。哈爾濱工程大學王振清、蘇娟[13]等人做了關于高溫下鋼筋混凝土梁，鋼筋混凝土柱極限承載力、耐火極限的試驗研究及理論分析，給出了結構高溫下計算的簡化方法及計算公式，同時分析了不同參數對高溫構件承載力、耐火極限的影響。長安大學張崗、賀拴海、宋一凡等人做了關于鋼筋混凝土梁橋火災高溫時變效應研究、高溫場形變分析、火災高溫安全評價以及高溫下鋼筋混凝土梁橋非線性分析。提出了火災高溫下結構有限元計算分析的思路，如何數值模擬鋼筋混凝土梁截面溫度場的分布，通過考慮火災高溫下鋼筋和混凝土強度及剛度的折減系數，推導出了有效力矩法及力矩時效系數計算方法。

3 鋼筋混凝土高溫下主要性能研究現狀

3.1 混凝土熱工參數

鋼筋混凝土材料的熱工參數是開展構件內部溫度場分析的基本參數，國外對鋼筋和混凝土的高溫熱工性能進行了大量系統的試驗研究，得到了這些熱工參數的一般值和變化規律，其中較有影響的是Harmathy和Harada等人在混凝土的熱工性能方面的研究成果。國內的過鎮海、時旭東、陸洲導、朱伯龍等人對鋼筋和混凝土的熱工參數均有不同程度的研究。由于試驗方法以及材料本身的離散性，不同學者給出的函數表達式的總體規律及趨勢大致相同，但具體數值差異較大，由于熱工參數的取值直接影響到構件內部溫度場的分析，又關系到后續結構分析，因此有必要加強這方面的研究工作。

3.2 混凝土溫度場研究

研究溫度場是研究鋼筋混凝土結構抗火性能的基礎，結構內部的溫度場對結構的內力、變形和承載力有很大的影響，而結構的內力狀態、變形和細微裂縫對溫度場影響較小。因此，溫度場分析可以先于結構的內力和變形分析，同時可以獨立于結構內力和變形分析。

發生建筑火災時，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對流以及熱傳導等方式傳遞給建筑構件表面,再通過熱傳導向構件內部傳遞。由于混凝土是一種熱惰性材料,而且熱邊界條件隨時間不斷變化,因此構件內溫度場是一個隨時間變化的非線性溫度場。差分法是一種常用的數值計算方法，采用差分法對構件內溫度場進行了分析,獲得了較高的精度，差分法的不足是要求求解區域比較規則，因此適用范圍有限。有限單元法對于不規則區域的求解比較方便，因此通常在空間域上采用有限單元法，在時間域上采用有限差分法，充分利用兩者優點來計算溫度場的變化。

[1]呂天啟,趙國藩,林志伸.高溫后靜置混凝土的微觀分析[J].建筑材料學報,2003,6(2):135～141.

[2]霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥:中國科學技術大學出版社,1999.

[3]Y.C.Wang:Ana1ysis of Reinforced Concrete She11/P1ate Structures at E1evated Temperature,Bui1ding Research Estab1ishment Note,BRE in U.K,1992.

[4]T.T.Lie and T.D.Lin:Inf1uence of Restraint on Fire Performance of Reinforced Concrete Co1umn,Proc.Of 1st Lnt.Symposium on Fire Safety Science,1986,291～300.

[5]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.

[6]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.

[7]時旭東,過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場[J].工程力學,1996,13(1):35～43.

[8]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.

[9]時旭東,過鎮海.不同混凝土保護層厚度鋼筋混凝土梁的耐火性能[J].工業建筑,1996,26(9):12~14.

[10]楊建平,時旭東,過鎮海.兩面與三面高溫下鋼筋混凝土壓彎構件的性能比較[J].工業建筑,2000,30(6):34~37.

[11]楊建平,時旭東,過鎮海.兩種升溫—加載途徑下鋼筋混凝土壓彎構件受力性能的試驗及分析研究[J].工程力學,2001,18(3):81~90.

[12]徐玉野,王全鳳,羅漪.混凝土矩形柱的耐火極限分析及實用計算[J].華僑大學學報,2008,29(2):284~288.

[13]蘇娟.鋼筋混凝土柱的抗火性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

[14]施天莫著,陳越南等譯.計算傳熱學[M].北京:科學出版社,1987.