火災(zāi)下混凝土強(qiáng)度和變形性能研究綜述

李秋明 于俊鵬 馬穎慧

（華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 河北 唐山 063009）

火災(zāi)下混凝土強(qiáng)度和變形性能研究綜述

李秋明 于俊鵬 馬穎慧

（華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 河北 唐山 063009）

對(duì)國內(nèi)外混凝土抗火性研究中力學(xué)性能研究成果進(jìn)行了總結(jié)。論述了混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、高溫下混凝土的耦合本構(gòu)關(guān)系等方面的內(nèi)容。此外提出了一些問題，主要是火災(zāi)下、力和溫度共同作用下、多軸作用下等方面的材料高溫性能研究不足。最后提出了高溫下混凝土力學(xué)性能研究方向，即建立更多的耦合本構(gòu)關(guān)系模型，重點(diǎn)研究高溫下多向應(yīng)力作用下混凝土及鋼材的力學(xué)性能。

火災(zāi)；混凝土；強(qiáng)度；變形

通常高溫下與高溫后鋼筋和混凝土的力學(xué)性能具有比其常溫性能更大的隨機(jī)性。為促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究從目前確定性階段向隨機(jī)概率階段推進(jìn)，必須從材料層次定量刻畫其隨機(jī)高溫特性。砼的高溫性能主要取決于其組成材料的礦物化學(xué)成分、配合比和含水量等因素，還因?yàn)檠芯咳藛T所用試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、試件的尺寸和形狀，以及加熱速度和恒溫時(shí)間等的不同而有較大差別。

1 抗壓強(qiáng)度

國內(nèi)外眾多學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究［1，2，3］，對(duì)火災(zāi)時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度變化進(jìn)行歸納總結(jié)，得出了混凝土抗壓強(qiáng)度在高溫過程中的變化規(guī)律。當(dāng)溫度低于250℃時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化不明顯；溫度介于300℃～400℃時(shí)，混凝土強(qiáng)度開始下降；當(dāng)溫度高于550℃時(shí)，混凝土內(nèi)部裂縫開始發(fā)展，抗壓強(qiáng)度下降加快；溫度超過900℃時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度降至很小。

2 抗拉強(qiáng)度

國內(nèi)外的學(xué)者測定高溫作用下混凝土的抗拉強(qiáng)度普遍采用劈裂試驗(yàn)法。王崢［4］采用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的GXW1000A型高溫環(huán)境箱對(duì)30個(gè)100mm×100mm×100mm的立方體試件加熱，分別測定不同高溫作用下的混凝土抗拉強(qiáng)度與常溫下對(duì)比。并且用最小二乘法的原則，歸納出了抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。得出的主要結(jié)論是抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低的變化規(guī)律十分明顯，但是高溫下混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同，所以抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的比值不是常數(shù)值。

胡翠平［5］對(duì)62組標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊進(jìn)行抗拉劈裂試驗(yàn)得出冷卻的高溫后混凝土試件與高溫作用前抗拉強(qiáng)度相對(duì)比值與溫度關(guān)系圖。并對(duì)折線進(jìn)行回歸分析，確定高溫后抗拉強(qiáng)度相對(duì)值與過火溫度關(guān)系。胡翠平的研究結(jié)果表明噴水冷卻后比自然冷卻后混凝土的抗拉強(qiáng)度低，這對(duì)工程火災(zāi)事故中的噴水救火方式有很大的建議性作用。

3 彈性模量

4 高溫下混凝土的耦合本構(gòu)關(guān)系

4.1 恒溫下應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)?。采用先升溫至恒定溫度，然后加載至試塊破壞的方法，對(duì)不同溫度下混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)。

4.2 恒載下溫度產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)臫。在相同溫度下，混凝土的自由膨脹應(yīng)變和應(yīng)力下的溫度應(yīng)變的差值稱為瞬態(tài)熱應(yīng)變。瞬態(tài)熱應(yīng)變數(shù)值很大，而且在升溫的即時(shí)出現(xiàn)，成為混凝土高溫變形的主要部分，對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布或應(yīng)力松弛的影響很大，在結(jié)構(gòu)的高溫分析中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

4.4 高溫本構(gòu)關(guān)系耦合。高溫作用下混凝土的本構(gòu)關(guān)系相比較常溫下十分復(fù)雜，高溫的本構(gòu)關(guān)系需要由應(yīng)力、溫度、時(shí)間、應(yīng)變等至少4個(gè)因素來確定。而在進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高溫（抗火）分析時(shí)，必須考慮混凝土所經(jīng)歷的不同溫度-應(yīng)力途徑對(duì)變形的影響，采用合理的耦合本構(gòu)關(guān)系，才能得到準(zhǔn)確的研究溫度應(yīng)力松弛和內(nèi)力重分布，獲得可信的結(jié)果。

5 結(jié)論

混凝土高溫下的耦合本構(gòu)關(guān)系一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，研究高溫下混凝土的力學(xué)性能首先必須解決實(shí)際問題中的內(nèi)力重分布，綜合研究高溫時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、時(shí)間等因素。目前我國在這一方面研究還不全面，應(yīng)該建立更多的耦合本構(gòu)關(guān)系模型，例如粘彈性本構(gòu)模型、粘塑性本構(gòu)模型、基于損傷的本構(gòu)模型，重點(diǎn)研究高溫后基于損傷和破壞理論的本構(gòu)關(guān)系。

雖然關(guān)于材料的高溫力學(xué)性能的研究取得了不少成績，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)火災(zāi)中材料常常處于多向應(yīng)力狀態(tài)，為了準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析，研究高溫下多向應(yīng)力作用下混凝土及鋼材的力學(xué)性能是必要的，這將為結(jié)構(gòu)的三維非線性有限元分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但到目前為止，國內(nèi)外有關(guān)高溫下與高溫后混凝土力學(xué)性能的研究結(jié)果幾乎都是針對(duì)單向受力情況，高溫下多軸力學(xué)性能的研究成果只見到極少的文獻(xiàn)報(bào)道，還有待進(jìn)一步深入研究。

［1］吳波，袁杰，王光遠(yuǎn).高溫后高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)， 2000，33（02）：8-12.

［2］Balendran R. V.， Nadeen A.， Maqsood T. Flexural and Split Cylinder Srength of HSC at Elevated Temperatures［J］. Fire Teehnology， 2003，39（1）：47-61.

［3］宿曉萍， 吳波， 袁杰. 高溫（非均勻溫度場）后約束高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的理論研究［J］. 哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35（2）：21-25.

［4］王崢， 宋玉普. 高溫對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］. 混凝土， 2010，8：51-53.

TU375.3

A

1003-5168（2015）11-113-01