鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后損傷的研究

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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基本建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，建筑物發(fā)生火災(zāi)的概率也越來(lái)越大。所以，在做好安全用火、安全用電措施的同時(shí)，應(yīng)大力開展建筑火災(zāi)的科學(xué)研究，提高建筑物防火、抗火能力。進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行的建筑物災(zāi)后綜合性能評(píng)估，以便確定破壞程度，為下一步對(duì)受災(zāi)建筑物進(jìn)行維修和加固提供依據(jù)。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料火災(zāi)損傷的基本特點(diǎn)

1.1 混凝土損傷及其破壞機(jī)理

1.1.1 混凝土強(qiáng)度的損傷情況

混凝土是一種組成比較復(fù)雜的材料，每項(xiàng)工程所用的混凝土配合比、強(qiáng)度等級(jí)、水灰比、粗骨料和細(xì)骨料種類、養(yǎng)護(hù)方法可能均有所不同。大量的試驗(yàn)和火災(zāi)后對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)勘查表明，混凝土在火災(zāi)后的強(qiáng)度降低情況與以上因素有重要聯(lián)系?；炷恋目箟?、抗彎、抗剪和抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低，其中抗拉強(qiáng)度的衰減最明顯。當(dāng)溫度升高至400 ℃左右，混凝土的強(qiáng)度將明顯下降。這主要是由于混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)生成水泥凝膠體，另外在大氣作用下混凝土將產(chǎn)生碳化。在火災(zāi)高溫作用下，混凝土的水泥凝膠體和碳化產(chǎn)物又將產(chǎn)生許多新的物質(zhì)，而溫度不同這種變化程度也不同，所引起的破壞也不同。

研究表明，溫度在100 ℃以上時(shí)，混凝土內(nèi)部的水分開始流失；溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，促使混凝土中未熟化的部分成分發(fā)生水化反應(yīng)，其強(qiáng)度有所提高；溫度達(dá)到200 ℃以上時(shí)，水泥凝膠體的水分大量被排出，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生硬化，材料產(chǎn)生酥化趨勢(shì)；溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)，材料發(fā)生逐漸脫水現(xiàn)象，粗骨料體積發(fā)生膨脹，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生由內(nèi)部向外部的開裂，強(qiáng)度逐漸降低，直至水泥膠體與骨料之間的膠結(jié)作用遭到破壞；當(dāng)溫度升高到500 ℃以上時(shí)，混凝土這種由內(nèi)向外的裂縫不斷擴(kuò)散，逐漸形成構(gòu)件表面的無(wú)數(shù)主裂縫，隨著溫度的繼續(xù)升高，混凝土中的水泥凝膠體發(fā)生質(zhì)變，膠結(jié)作用不復(fù)存在，構(gòu)件即將發(fā)生破壞；在900 ℃的受火溫度之后，混凝土喪失內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，幾何形狀發(fā)生變化。

在以上過(guò)程中，水泥凝膠體由于失水發(fā)生體積收縮，而粗骨料在高溫作用下發(fā)生體積膨脹，這種變形隨著水泥含量以及水灰比的增大而增大。這是兩個(gè)變形相反的過(guò)程，使得粗骨料受壓而水泥凝膠體受拉，水泥的抗拉能力較小，這種內(nèi)部作用力加快了混凝土裂縫的開展，加速了混凝土強(qiáng)度的降低。

1.1.2 混凝土在高溫下的炸裂

混凝土凝結(jié)硬化以后，基本上處于密實(shí)狀態(tài)，內(nèi)部的少量空隙也處在密閉狀態(tài)。在高溫作用下，材料內(nèi)部的水分變成水蒸氣向外排出，但由于受到凝結(jié)硬化的水泥凝膠體的阻礙，使得混凝土內(nèi)部空腔出現(xiàn)不斷壓縮的氣體，對(duì)材料而言產(chǎn)生膨脹力，也即拉力。隨著溫度的升高，這種內(nèi)力越來(lái)越大，并且混凝土內(nèi)部水分含量越大，產(chǎn)生的膨脹力越大，當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)量后，就會(huì)產(chǎn)生“爆炸”，引起混凝土的炸裂，使鋼筋混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)脫落，甚至露筋?；炷恋倪@種炸裂現(xiàn)象在發(fā)生之前沒(méi)有明顯預(yù)兆，高溫炸裂將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性的喪失，使鋼筋表面的混凝土保護(hù)層脫落，導(dǎo)致鋼筋直接暴露于高溫下，使得決定構(gòu)件承載力的鋼筋在高溫作用下其力學(xué)性能急劇下降，致使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下被過(guò)早破壞。

1.2 鋼筋損傷及其破壞機(jī)理

工程中常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般采用熱軋鋼筋，在高溫作用下，鋼筋的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，導(dǎo)致鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、塑性性能、沖擊韌性和彈性模量均產(chǎn)生顯著變化。當(dāng)溫度升高至700 ℃以上時(shí)，鋼筋強(qiáng)度大幅度下降，基本喪失承載能力，以致引起建筑物的倒塌。在火災(zāi)發(fā)生后，由于溫度升高，鋼筋的塑性性能和韌性也隨之顯著下降，逐漸失去安全范圍內(nèi)的變形能力，隨之引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的脆性破壞。高溫作用還會(huì)引起鋼筋彈性模量的下降，使得鋼筋力學(xué)性能發(fā)生改變。高溫作用是影響鋼筋性能的最主要因素，美國(guó)的世貿(mào)中心就是由于大火后鋼筋喪失承載力導(dǎo)致整體倒塌，因此尤其要做好鋼筋的防火和隔火措施。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在高溫下的力學(xué)性能

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑業(yè)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，建筑物的占地面積、建筑面積以及建筑體量越來(lái)越大。由于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，存在的火災(zāi)隱患很多，因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)用火不當(dāng)、用電不當(dāng)以及人為因素造成的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件有豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件，分為柱、墻和梁、板?；馂?zāi)后的損傷程度主要與構(gòu)件的過(guò)火時(shí)間、過(guò)火溫度以及是否有防火措施有關(guān)，損傷情況主要有混凝土開裂甚至脫落導(dǎo)致露筋，鋼筋強(qiáng)度下降導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生較大的變形甚至斷裂?；馂?zāi)后的破損情況主要與構(gòu)件的截面尺寸大小、受力鋼筋的級(jí)別和數(shù)量、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和保護(hù)層厚度有關(guān)。在高溫作用下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的綜合性能明顯下降，構(gòu)件變形過(guò)大，承載能力降低，并且由于溫度應(yīng)力的影響產(chǎn)生內(nèi)力重新分布，使得受力機(jī)制發(fā)生改變，安全性能受到損傷?，F(xiàn)階段，為了提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能，主要通過(guò)混凝土保護(hù)層厚度來(lái)保證，在新的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中提高了受力鋼筋保護(hù)層厚度，使得結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的抗火性能和耐火時(shí)間得以提高。

3 火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能評(píng)價(jià)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在遭受火災(zāi)高溫作用后，其安全性能如何，能否繼續(xù)使用，如何進(jìn)行加固處理？這些問(wèn)題都是火災(zāi)后急需解決的問(wèn)題。首先，需要對(duì)過(guò)火構(gòu)件進(jìn)行性能檢測(cè)，目前工程界常用的方法主要有兩種，第一種是進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)物品的損毀情況和構(gòu)件燒傷損壞情況初步推算過(guò)火溫度，進(jìn)行理論分析，判定在此溫度下建筑物的損傷程度。第二種是對(duì)受損的承重構(gòu)件逐一進(jìn)行外觀檢查，觀察表面顏色、是否有裂縫及裂縫大小、是否有保護(hù)層脫落現(xiàn)象、是否有露筋情況、是否發(fā)生變形及變形大小等，根據(jù)這些因素將構(gòu)件的受損程度進(jìn)行分級(jí)，初步判定受損程度，然后對(duì)受力構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，測(cè)定試樣的碳化深度，采用超聲波檢測(cè)判定構(gòu)件的燒傷深度，對(duì)試樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)測(cè)定其強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)鋼筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測(cè)定其力學(xué)性能，并對(duì)接近過(guò)火區(qū)的未過(guò)火構(gòu)件進(jìn)行抽檢。通過(guò)這些指標(biāo)，判定鋼筋混凝土構(gòu)件的受損情況并分級(jí)，最終確定構(gòu)件是否能繼續(xù)使用或采取何種加固措施。

4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段的防火和抗火措施

防止火災(zāi)的發(fā)生是保證建筑物在其合理使用年限范圍有足夠的可靠性的必要措施，但是為了以防萬(wàn)一，在設(shè)計(jì)階段就必須做好建筑物的防火和抗火設(shè)計(jì)，主要采取以下措施：

(1)防止火災(zāi)發(fā)生后的蔓延。在建筑方案設(shè)計(jì)階段，根據(jù)建筑物的使用功能，設(shè)置一定數(shù)量的防火分區(qū)，利用防火卷簾予以分割。另外，要做好消防設(shè)計(jì)，設(shè)置主動(dòng)滅火系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置足夠的消防通道，為發(fā)生火災(zāi)后能第一時(shí)間采取措施創(chuàng)造條件。

(2)提高建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能。采用合理的結(jié)構(gòu)形式、材料以及相應(yīng)的構(gòu)造措施，提高建筑和結(jié)構(gòu)的抗火能力。如對(duì)重要的混凝土構(gòu)件進(jìn)行防火處理，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)定最小的混凝土保護(hù)層厚度等，以提高建筑的耐火時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火場(chǎng)溫度變化極其復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件和材料的災(zāi)后評(píng)價(jià)很難作出準(zhǔn)確的界定，現(xiàn)階段這方面的研究還需進(jìn)一步深入。例如火場(chǎng)溫度如何判定，作用時(shí)間如何判定，構(gòu)件與構(gòu)件之間作用力的變化如何判定，結(jié)構(gòu)體系在災(zāi)后承載能力極限狀態(tài)和正常使用時(shí)極限狀態(tài)的變化如何判定，剩余承載能力的安全系數(shù)如何判定等。此外，對(duì)火災(zāi)后構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能、抗震性能等還需深入研究。

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