隧道鋼混結(jié)構(gòu)火災(zāi)力學(xué)性能研究綜述

盧楊　李修國　王佩璽　楊增

摘 要：隧道襯砌基本都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，近年來，由于隧道內(nèi)部火災(zāi)的不斷發(fā)生，隧道內(nèi)部高溫環(huán)境導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞。本文主要對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中（后）的力學(xué)性能的相關(guān)研究進(jìn)行梳理，歸納總結(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的力學(xué)性能變化情況。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；高溫；粘結(jié)性

中圖分類號(hào)：TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0064-01

近十幾年來，隨著交通事業(yè)的不斷進(jìn)步以及施工技術(shù)的日益提高，地下隧道工程也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，然而，在隧道工程逐漸普及的同時(shí)，隧道的安全問題也漸漸凸顯，尤其是國內(nèi)外幾次大的隧道火災(zāi)事故，出現(xiàn)了重大人員傷亡還經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究隧道結(jié)構(gòu)的耐火性具有十分必要的意義。隧道襯砌結(jié)構(gòu)大都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如何評(píng)定隧道襯砌火災(zāi)安全性，需要對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行研究，當(dāng)前，關(guān)于火災(zāi)高溫時(shí)（高溫后）混凝土材料的物理力學(xué)性能國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)研究工作，并得到了豐富研究成果，主要是以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1 混凝土的高溫?zé)峁ば阅芎蜔峁?shù)

1.1 混凝土的高溫?zé)峁ば阅?/p>

陸洲導(dǎo)根據(jù)傅立葉定律用穩(wěn)態(tài)保護(hù)熱板試驗(yàn)法推出了普通混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系，并給出了簡(jiǎn)化后的混凝土熱膨脹系數(shù)計(jì)算公式，同時(shí)他又根據(jù)熱平衡原理提出了我國普通混凝土比熱的計(jì)算公式。Sultan和Kodur給出了硅質(zhì)、鈣質(zhì)高強(qiáng)混凝土熱工參數(shù)與溫度間的關(guān)系。

1.2 混凝土的熱工參數(shù)

混凝土的熱工參數(shù)主要指混凝土的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、綜合換熱系數(shù)以及熱膨脹系數(shù)。

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土傳導(dǎo)熱量的能力，定義是單位溫度梯度下單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，同濟(jì)大學(xué)陸洲導(dǎo)建議高溫下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)：

比熱是指單位質(zhì)量的材料溫度升高一度時(shí)所需的熱量。影響比熱的因素有混凝土的骨料類型、配合比和含水率等。相關(guān)資料建議高溫下混凝土的比熱隨溫度變化的關(guān)系為：

綜合換熱系數(shù)是混凝土受火面與熱煙氣流及周圍環(huán)境間存在著不穩(wěn)定的對(duì)流與輻射換熱，影響因素主要有：流動(dòng)狀態(tài)、固體的物性和表面的幾何參數(shù)等。我國段文璽建議的混凝土表面的綜合換熱系數(shù)如表1所示。

熱膨脹系數(shù)是指溫度升高1℃時(shí)物體單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量，為無量綱參數(shù)。根據(jù)清華大學(xué)的試驗(yàn)，混凝土的熱膨脹系數(shù)可近似取作：

2 鋼筋高溫時(shí)力學(xué)性能方面和熱工參數(shù)

2.1 鋼筋高溫時(shí)力學(xué)性能

陸洲導(dǎo)通過對(duì)高溫中鋼筋性能的試驗(yàn)研究得出了高溫中鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度與溫度的試驗(yàn)回歸關(guān)系，并給出了高溫中Ⅱ級(jí)鋼筋的二折線彈塑性應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。鈕宏通過對(duì)多根鋼筋的對(duì)比試驗(yàn)，得出了不同溫度和荷載同時(shí)作用下的鋼筋強(qiáng)度、變形、彈性模量和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的變化規(guī)律。時(shí)旭東和過鎮(zhèn)海給出了高溫時(shí)鋼筋強(qiáng)度及變形性能的劣化規(guī)律。

2.2 鋼筋的熱工參數(shù)

鋼筋的高溫?zé)峁?shù)主要包括鋼的密度、比熱、線膨脹系數(shù)。

鋼的密度隨溫度的變化很小，可取常數(shù)，ρ=7850kg/m?。

鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)基本保持不變。歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)采用的精確值由下式表示：

根據(jù)清華大學(xué)的試驗(yàn)資料，鋼筋的線膨脹系數(shù)可近似取為：

3 鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能方面

張大長(zhǎng)和呂志濤提出T鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的計(jì)算方法。周新剛和吳江龍通過對(duì)進(jìn)行不同溫度下試件中心拔出對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)得了相應(yīng)的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線以及粘結(jié)強(qiáng)度與保護(hù)層厚度及混凝土抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。Chiang和Tsai基于火災(zāi)后鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能的試驗(yàn)成果，得出當(dāng)溫度超過200℃后，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能明顯下降的結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

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