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(wù)學(xué)院機場工程與保障系（221000）2中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)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(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、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(huán)境中發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致其性能劣化而最終影響工程結(jié)構(gòu)的安全。國內(nèi)外針對經(jīng)過高溫作用后的混凝土在微觀組成上的改變、宏觀力學(xué)性能的變化以及如何改善混凝土的高溫力學(xué)性能等方面做了大量研究工作[1]?，F(xiàn)將對近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下主要性能研究進行歸納綜述。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外對混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能的研究較早,美國中央標(biāo)準(zhǔn)局在1925年即對混凝土柱進行了高溫試驗。20世紀(jì)50年代開始重視結(jié)構(gòu)的抗火性能，并開始了大量研究工作[2]，如波特蘭水泥協(xié)會、美國混凝土協(xié)會、美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會、歐洲國際混凝土協(xié)會、德國的Braunschweig工業(yè)大學(xué)、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(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析計算鋼筋混凝土柱的耐火極限，計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好。通過差分法計算高溫后柱截面溫度場，根據(jù)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(jù)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，再由二者的本構(gòu)關(guān)系計算柱截面的軸力及彎矩，從而求出火災(zāi)后柱的極限荷載。1999年比利時科學(xué)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(shù)學(xué)公式，得出的結(jié)果與試驗非常吻合。2003年新加坡南洋科技大學(xué)Tan與Ya也應(yīng)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(guī)律并回歸出簡單的數(shù)學(xué)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(yù)應(yīng)力混凝土、鋼結(jié)構(gòu)的柱、梁、框架、板等建筑結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計做了很多試驗，并且做了關(guān)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(jié)構(gòu)抗火設(shè)計規(guī)范[4]。

上述分析表明，國外大多數(shù)學(xué)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(xué)行為分析，以試驗為基礎(chǔ)進行編程數(shù)值模擬分析鋼筋混凝土柱高溫后的力學(xué)性能,數(shù)值模擬分析與試驗吻合，得出一定的規(guī)律再回歸出數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究起步較晚，相關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(fā)展較快。冶金部建筑科學(xué)研究院在20世紀(jì)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(gòu)件耐火試驗裝置，主要用于建筑產(chǎn)品的檢驗和建筑構(gòu)件的耐火極限試驗研究；中國建筑科學(xué)研究院和上海遠東防火試驗中心也引進了大型的構(gòu)件抗火試驗裝置，可以進行各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火試驗；從20世紀(jì)80年代起，同濟大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等高校先后就高溫下混凝土力學(xué)性能[5]、鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度分布[6]、鋼筋混凝土構(gòu)件[7]及結(jié)構(gòu)的抗火性能等方面開展了試驗和理論研究。

清華大學(xué)過鎮(zhèn)海、時旭東等對建筑結(jié)構(gòu)高溫下及高溫后構(gòu)件性能進行了多項研究，主要內(nèi)容為∶鋼筋與混凝土的高溫變形、高溫強度，不同溫度、應(yīng)力下混凝土的強度與變形，溫度、應(yīng)力、時間耦合作用下鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系以及力學(xué)性能，材料的熱工性能參數(shù)，熱傳導(dǎo)理論，火災(zāi)—溫度—時間曲線，溫度場理論分析方法[8]。經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高混凝土保護層的厚度可以提高構(gòu)件強度，降低結(jié)構(gòu)變形[9]。不同受火面對結(jié)構(gòu)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(gòu)件性能的影響[10]。做了關(guān)于鋼筋混凝土壓彎構(gòu)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(gòu)件抗火性能的區(qū)別，并得出了一定的規(guī)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(xué)性能的影響。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)做了關(guān)于火災(zāi)從發(fā)生、傳播、熄滅整個過程的模擬分析，并研究了火災(zāi)熱量、火場氣流、火災(zāi)溫度的空間分布規(guī)律。華南理工大學(xué)吳波等人做了關(guān)于高溫下與高溫后鋼筋與普通混凝土力學(xué)性能試驗研究，火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估方法，火災(zāi)受損后結(jié)構(gòu)抗震性能，通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析得出了一定規(guī)律，為進一步結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。哈爾濱工程大學(xué)王振清、蘇娟[13]等人做了關(guān)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(jié)構(gòu)高溫下計算的簡化方法及計算公式，同時分析了不同參數(shù)對高溫構(gòu)件承載力、耐火極限的影響。長安大學(xué)張崗、賀拴海、宋一凡等人做了關(guān)于鋼筋混凝土梁橋火災(zāi)高溫時變效應(yīng)研究、高溫場形變分析、火災(zāi)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(zāi)高溫下結(jié)構(gòu)有限元計算分析的思路，如何數(shù)值模擬鋼筋混凝土梁截面溫度場的分布，通過考慮火災(zāi)高溫下鋼筋和混凝土強度及剛度的折減系數(shù)，推導(dǎo)出了有效力矩法及力矩時效系數(shù)計算方法。

3 鋼筋混凝土高溫下主要性能研究現(xiàn)狀

3.1 混凝土熱工參數(shù)

鋼筋混凝土材料的熱工參數(shù)是開展構(gòu)件內(nèi)部溫度場分析的基本參數(shù)，國外對鋼筋和混凝土的高溫?zé)峁ば阅苓M行了大量系統(tǒng)的試驗研究，得到了這些熱工參數(shù)的一般值和變化規(guī)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(nèi)的過鎮(zhèn)海、時旭東、陸洲導(dǎo)、朱伯龍等人對鋼筋和混凝土的熱工參數(shù)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(xué)者給出的函數(shù)表達式的總體規(guī)律及趨勢大致相同，但具體數(shù)值差異較大，由于熱工參數(shù)的取值直接影響到構(gòu)件內(nèi)部溫度場的分析，又關(guān)系到后續(xù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗火性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和承載力有很大的影響，而結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)、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(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析，同時可以獨立于結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析。

發(fā)生建筑火災(zāi)時，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對流以及熱傳導(dǎo)等方式傳遞給建筑構(gòu)件表面,再通過熱傳導(dǎo)向構(gòu)件內(nèi)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(gòu)件內(nèi)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(shù)值計算方法，采用差分法對構(gòu)件內(nèi)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(qū)域比較規(guī)則，因此適用范圍有限。有限單元法對于不規(guī)則區(qū)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(yōu)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(xué)報,2003,6(2):135～141.

[2]霍然,胡源,李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(wèi),過鎮(zhèn)海.高溫下混凝土的強度和變形性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1993,14(1):8～16.

[6]朱伯龍,陸洲導(dǎo),胡克旭.高溫(火災(zāi))下混凝土與鋼筋的本構(gòu)關(guān)系[J].四川建筑科學(xué)研究,1990(1):37～43.

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[8]過鎮(zhèn)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(xué)出版社,2003.

[9]時旭東,過鎮(zhèn)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(yè)建筑,1996,26(9):12~14.

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

[11]楊建平,時旭東,過鎮(zhèn)海.兩種升溫—加載途徑下鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件受力性能的試驗及分析研究[J].工程力學(xué),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(xué)學(xué)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(xué),2006.

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