火災條件下鋼筋混凝土結構性能變化及計算方法

盧 楊

中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系（2210 00）

火的使用對人類文明產生了深遠的影響，在人類歷史發展中起到了巨大的推動作用，但火也具有其危害性的一面——火災。火災是火失去控制而蔓延的災害性現象，尤其在當今社會，是世界各國都面臨的共同難題。世界火災統計中心研究的結果表明，近年來全球范圍內每年發生的火災有700多萬起，平均每天發生2萬多起，每年有近75 000人死于火災。近二十年來，我國火災數量居高不下，尤其多起特大火災的發生,對社會造成了嚴重的危害。例如，2010年上海靜安區一幢28層高住宅樓發生嚴重火災已造成53人死亡。2010年，中國中央電視臺新址辦公樓火災在社會引起較大轟動。2003年衡陽火災中,20名消防員被突然倒塌的大樓掩埋,最終壯烈犧牲。

火災中濃濃的煙塵、大量有毒氣體等危害著人的生命安全，火災中產生的高溫環境還會對建筑物鋼結構造成較大破壞，導致其承載力下降，使用壽命減少，甚至出現突然性垮塌，造成嚴重的人員傷亡。這里研究鋼筋混凝土結構在火災中的性能變化，通過總結鋼筋混凝土結構高溫實驗數據，確定結構在火災中具體變化情況和耐火極限，從微觀角度分析造成高溫損傷的原因，對鋼筋混凝土結構火災撲救提出一點指導。

1 火災的發展過程

從定性角度分析,火災一般分為三個階段,初期、旺盛期、衰減期。在火災初期，防火分區內的平均溫度較低，但燃燒區溫度較高，使附近的可燃物發生熱解，進一步形成燃燒，造成火勢擴大，室內空氣溫度不斷上升，加之火焰輻射作用，室內可燃物表面的溫度迅速上升，最終導致防火分區內可燃物全面燃燒。火災由初期轉變為全面燃燒的瞬間，成為轟燃，它的出現標志著火災進入旺盛期，此后火災分區內平均溫度急劇上升，旺盛期后，火場可燃物燃近，火場溫度逐漸降低，直至熄滅。通常把火災溫度降到最高值的80%開始作為衰減期[1]。

圖1

2 鋼筋混凝土高溫試驗

2.1 高溫試驗準備

本試驗選取混凝土強度等級為C30,縱向鋼筋為HRB335,上側為 3φ12,下側為 3φ16,箍筋HRB235，φ10@5。 試驗構件尺寸為 1 000 mm×500 mm×500 mm的長方體。水泥的強度等級為42.5，石子的規格為 5～40，塌落度為 4～6 每立方的材料重量（kg），配比為（水泥∶砂∶石∶水）366∶635∶1178∶190。 試件成型后經過7 d水養，自然養護至28 d，常溫下放置1 d晾曬，然后進行高溫試驗。

試件加熱采用武漢華中電爐設備有限公司研制的RX3-20-12型箱式電阻爐，升溫速率為10℃/min，最高溫度可達到1 200℃，達到目標溫度后恒溫3 h，使試件內外溫度一致，達到穩定溫度場，也使不同溫度場下試件中物理化學反應更加充分。

2.2 鋼筋混凝土高溫試驗現象

在升溫過程中，200℃左右，爐口有少量明顯可見的水蒸汽逸出，這主要是混凝土中的游離水蒸發引起的，隨著溫度的升高，混凝土內部的C-S-H凝膠和鈣礬石AFt開始脫水,從爐口處可發現有大量白色的水霧，且慢慢變濃。大約在350℃時逸出的水霧最大，而后逐漸減小到500℃，爐口的白霧基本消失，此時混凝土的大部分水分已經失去。

3 鋼筋混凝土高溫性能

3.1 鋼筋的高溫特性

高溫下鋼筋的屈服強度和極限強度采用相關公式[2-3]進行計算，具體為∶

式中的fy，fu分別是常溫時的鋼筋的屈服強度和極限強度；fTy，fTu分別為溫度為T時鋼筋的屈服強度和極限強度；k為系數，對Ⅰ-Ⅳ級鋼筋分別取1.368、1.131、1.180、1.278。

高溫下鋼筋的應力應變關系采用相關公式[4]進行確定∶

其中εSσ為鋼筋應力引發的應變。

3.2 混凝土的高溫特性

普通混凝土的高溫特性根據相關公式[2-3]進行確定，具體為∶

其中fc，ε0分別為常溫時混凝土的峰值抗壓強度以及對應的峰值壓應變；fTc，εT0分別為溫度為T作用下混凝土的峰值抗壓強度以及對應的峰值壓應變；σc為混凝土的應力,對于普通混凝土式（9）中K=6.97×10-8，T＞800 ℃時，瞬態熱應變取 T=800 ℃時對應的值。

[1]何喜洋.鋼筋混凝土框架結構的抗火性能研究[J].華南理工大學碩士論文,2005:1～3.

[2]過鎮海,史旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].清華大學出版社,2002:7～65.

[3]胡海濤,董毓利.高溫時高強混凝土瞬態熱應變的試驗研究[J].建筑結構學報,2002,23(4):32～47.

[4]沈聚敏,王傳志,江見鯨.鋼筋混凝土有限元[M].清華大學出版社,1993:115～153.