混凝土結(jié)構(gòu)防火性能研究

(商丘工學(xué)院 河南 商丘 476000)

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混凝土結(jié)構(gòu)防火性能研究

熊濤張智慧

(商丘工學(xué)院河南商丘476000)

現(xiàn)在城市建筑物大部分都采用混凝土結(jié)構(gòu)，它使用范圍非常廣泛，而城市火災(zāi)的破壞程度與混凝土結(jié)構(gòu)的防火性能息息相關(guān)。本文首先對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)理論進(jìn)行概述，闡述混凝土結(jié)構(gòu)的概念，從素混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土三個(gè)方面分析混凝土結(jié)構(gòu)的分類。然后展開(kāi)混凝土結(jié)構(gòu)界面溫度場(chǎng)的研究，主要研究火災(zāi)溫度的確定方法，材料的熱工性能，然后分別研究混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋在高溫條件下的力學(xué)性能。

混凝土;鋼筋;高溫;構(gòu)件;結(jié)構(gòu)

一、引言

無(wú)論在哪里火災(zāi)的危害都極大，對(duì)于城市而言建筑物火災(zāi)給人民財(cái)產(chǎn)和生命帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于火災(zāi)的案例發(fā)現(xiàn)，城市建筑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)往往因?yàn)榉阑鸺?jí)別不夠，導(dǎo)致重大火災(zāi)事故的發(fā)展。

二、混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)理論概述

(一)混凝土結(jié)構(gòu)的概念

混凝土結(jié)構(gòu)以混凝土為主制作的結(jié)構(gòu)。包括素混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。和其他材料的結(jié)構(gòu)相比，混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：整體性好，可灌筑成為一個(gè)整體；可模性好，可灌筑成各種形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)；耐久性和耐火性好;工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低。

(二)混凝土結(jié)構(gòu)的分類

1.素混凝土。素混凝土是針對(duì)鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土等而言的。素混凝土是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由水泥、砂(細(xì)骨料)、石子(粗骨料)、礦物參合料、外加劑等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。

2.鋼筋混凝土。當(dāng)在混凝土中配以適量的鋼筋，則為鋼筋混凝土。鋼筋和混凝土這種物理、力學(xué)性能很不相同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起共同工作，主要靠?jī)烧咧g存在粘結(jié)力，受荷后協(xié)調(diào)變形。再者這兩種材料溫度線膨脹系數(shù)接近，此外鋼筋至混凝土邊緣之間的混凝土，作為鋼筋的保護(hù)層，使鋼筋不受銹蝕并提高構(gòu)件的防火性能。

3.預(yù)應(yīng)力混凝土。預(yù)應(yīng)力混凝土是在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受荷載之前，利用張拉配在混凝土中的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋而使混凝土受到擠壓，所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力可以抵消外荷載所引起的大部分或全部拉應(yīng)力，也就提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗裂度。

三、混凝土結(jié)構(gòu)界面溫度場(chǎng)的研究

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)防火性能分析條件和火災(zāi)發(fā)生時(shí)相同的。都需要從混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形兩個(gè)方面來(lái)分析，具體而言就是分析其承載能力和變形能力。混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能是研究其防火性能的重要先決條件。

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部有的只有水泥是沙，有的含有鋼筋和水泥石沙。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在高溫的作用下，混凝土中的水泥石和鋼筋發(fā)生收縮，其他材料發(fā)生膨脹，在同一結(jié)構(gòu)中，有幾類材料強(qiáng)度不同，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。當(dāng)混凝土機(jī)構(gòu)表面溫度超過(guò)400℃時(shí)，其內(nèi)部的Ca(OH)2，脫水，分解成CaO，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重變形。當(dāng)溫度超過(guò)600℃時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇減弱。

(一)火災(zāi)溫度的確定方法

城市建筑物火災(zāi)需要經(jīng)歷幾個(gè)階段，其中燃燒階段是本文研究的重點(diǎn)。在燃燒階段時(shí)，建筑物混凝土結(jié)構(gòu)周邊的環(huán)境越高，建筑物損毀的程度月到。混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)程度跟幾個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，例如建筑物裝修材料，相關(guān)可燃物的大小和位置擺放；建筑物室內(nèi)的戶型，門(mén)窗小面，室內(nèi)建筑面積大小；還有火災(zāi)當(dāng)天的溫度，通風(fēng)情況。

通過(guò)研究相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)火宅的標(biāo)準(zhǔn)溫度與時(shí)間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在0.5h小時(shí)內(nèi)，溫度從0℃直接幾何式增長(zhǎng)到800℃，之后開(kāi)始溫度開(kāi)始緩慢的增長(zhǎng)，5h時(shí)，火災(zāi)溫度可能達(dá)到1100℃。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，威脅最大的就是可燃物的數(shù)量和分布情況，其次高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)表面的影響。存在一種溫度時(shí)間曲線圖，它是研究混凝土防火性能及火災(zāi)溫度確定最基本的依據(jù)。

(二)材料的熱工性能

1.混凝土在高溫下的物理和化學(xué)變化。混凝土是由固、液、氣三相構(gòu)成的非勻質(zhì)組合材料，各成分在不同溫度下會(huì)發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，進(jìn)而影響到材料宏觀的熱工物理和化學(xué)變化，使材料宏觀的熱工和力學(xué)性能發(fā)生變化。

2.混凝土在高溫下的熱工性能。在研究混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)時(shí)，比較從幾個(gè)方面展開(kāi)研究，第一是混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量密度，第二混凝土結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)，第三是混凝土結(jié)構(gòu)材料單位熱容量，第四是混凝土結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)系數(shù)。市場(chǎng)上存在各種各樣的混凝土材料，因此原材料的不同，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)化學(xué)成分、組合比例以及含水量也不盡相同。

3.鋼材在高溫下的熱工性能。鋼材的熱工性能隨溫度升高的變化趨勢(shì)與混凝土類似。

(三)熱傳導(dǎo)方程和溫度場(chǎng)的確定

結(jié)構(gòu)在高溫下的溫度場(chǎng)一般不受其內(nèi)力和變形值的影響，因而可以獨(dú)立的先于內(nèi)里進(jìn)行分析。

四、構(gòu)件的高溫性能和抗高溫研究

(一)梁式構(gòu)件

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁在火災(zāi)高溫下會(huì)產(chǎn)生與常溫下完全不同的橫向裂縫和龜狀裂縫;火災(zāi)時(shí)混凝土梁的使用荷載大小對(duì)撓度反應(yīng)有很大的影響。常溫時(shí)屬于適筋的高配筋率簡(jiǎn)支梁，高溫后其破壞形態(tài)可能轉(zhuǎn)變?yōu)槌钇茐?梁的配筋率越高，高溫后其承載能力的降低幅度也越大。

(二)柱式構(gòu)件

四面均勻受火條件下，軸壓柱主要因混凝土壓碎而破壞，偏壓柱則主要因側(cè)向撓度過(guò)大而失效，骨料種類對(duì)軸壓柱的影響比偏壓柱要大，但端點(diǎn)約束對(duì)偏壓柱的影響比軸壓柱更為顯著。不均勻受火(如三面受火)柱的破壞形態(tài)與常溫下截然不同，此時(shí)截面的強(qiáng)度中心與幾何中心一般不再重合，常溫下的軸壓柱實(shí)際已處于偏壓狀態(tài)，最后呈現(xiàn)出與常溫不同的小偏心受壓破壞，且側(cè)向極限變形較大，恒載升溫柱比恒溫加載柱的抗火性能要好。

(三)墻式構(gòu)件

火災(zāi)作用下混凝土強(qiáng)度較高的墻的變形比混凝土強(qiáng)度較低的墻要小。單面受火時(shí)，墻的面內(nèi)承載力明顯降低，但混凝土強(qiáng)度對(duì)面內(nèi)承載能力影響不大。與彎曲裂縫較多的墻相比，沒(méi)有彎曲裂縫或彎曲裂縫較少的墻更容易發(fā)生爆裂。鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)墻的承載能力具有顯著影響。

(四)結(jié)構(gòu)抗高溫的構(gòu)造措施

構(gòu)造措施對(duì)結(jié)構(gòu)抗火性能有重要影響，如合理選擇結(jié)構(gòu)材料、規(guī)定構(gòu)件最小截面尺寸、最小混凝土保護(hù)層厚度、配置附加鋼筋、加強(qiáng)鋼筋錨固、延長(zhǎng)縱筋的切段長(zhǎng)度和埋設(shè)長(zhǎng)度、妥善處理預(yù)制構(gòu)件的接縫等。

五、結(jié)論

研究混凝土結(jié)構(gòu)的防火性能對(duì)我國(guó)建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展有很重要的意義。本文通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的兩個(gè)主要組成部分: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(píng)估能提供些幫助。

[1]劉汾濤.碳纖維布加固混凝土梁的高溫性能研究[D].華南理工大學(xué),2010.

[2]李梓汐.粘貼法加固混凝土結(jié)構(gòu)防火試驗(yàn)研究[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[3]劉汾濤.碳纖維布加固混凝土梁的高溫性能研究[D].華南理工大學(xué),2010.