火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度影響的模擬研究

周洋

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的城市建設(shè)進(jìn)程也步入穩(wěn)定發(fā)展的階段，城市高層建筑越來(lái)越普及，發(fā)展規(guī)模越來(lái)越大。近年來(lái)，高層建筑火災(zāi)事故發(fā)生的頻率越來(lái)越高，給人們?cè)斐闪藝?yán)重的生命威脅與經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前，鋼筋混凝土構(gòu)件在現(xiàn)代高層建筑中得到了廣泛的運(yùn)用。研究表明，鋼筋混凝土建筑遇到火災(zāi)后，其強(qiáng)度會(huì)大幅度地降低，將產(chǎn)生一系列的不安全因素，這極大地危及到了人們的生命安全與財(cái)產(chǎn)安全。本文首先闡述了火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的影響，然后就火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度影響的升溫曲線進(jìn)行了研究，建立起了對(duì)鋼筋混凝土建筑強(qiáng)度模擬的新方法，為火災(zāi)對(duì)多鋼筋混凝土建筑的強(qiáng)度影響相關(guān)問(wèn)題提供了解決依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；火災(zāi)；強(qiáng)度

前 言

建筑施工技術(shù)的進(jìn)步提高了建筑物功能的多樣性，高層建筑為城市景觀增添了美觀性，同時(shí)也給城市人民的生活帶來(lái)了一些不便。比如，頻繁的火災(zāi)會(huì)對(duì)鋼筋混凝土建筑的強(qiáng)度等性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，從而對(duì)人們的生命安全造成了威脅。鋼筋混凝土建筑在經(jīng)歷火災(zāi)之后，其鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度會(huì)受到不同程度的影響，韌性也會(huì)發(fā)生很大的變化，其中鋼筋混凝土構(gòu)件的受彎性能、受壓性能以及受剪性能都會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。

一、火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能的影響

1.鋼筋混凝土構(gòu)件的受彎性能

鋼筋混凝土建筑在經(jīng)歷火災(zāi)之后，其鋼筋混凝土構(gòu)件的性能會(huì)發(fā)生不同程度的變化，受彎性能會(huì)大大的降低。也就是說(shuō)，鋼筋混凝土構(gòu)件經(jīng)歷火災(zāi)之后不能再被迫彎曲，否則會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件斷裂。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以增加高層建筑的穩(wěn)定性與結(jié)實(shí)性，有效保證建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，韌性也是衡量建筑質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，韌性指的是建筑物的受彎性能，表示建筑物遇到地震或者強(qiáng)風(fēng)時(shí)候?qū)ζ涞牡挚沽?。建筑物在遇到地震時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同方向的震動(dòng)，而震動(dòng)會(huì)使建筑物產(chǎn)生形變。如果一個(gè)建筑受彎性能很強(qiáng)，那么這些震動(dòng)不會(huì)使建筑物產(chǎn)生過(guò)大的形變量，只會(huì)在一些方向上產(chǎn)生輕微的形變，這些形變不會(huì)對(duì)建筑造成較強(qiáng)的傷害；如果一個(gè)建筑受彎性能不強(qiáng)，那么當(dāng)其遇到震動(dòng)時(shí)就會(huì)引發(fā)其產(chǎn)生裂紋、或者產(chǎn)生傾斜，對(duì)建筑物的質(zhì)量產(chǎn)生較大的損害，造成民眾的生命安全問(wèn)題與財(cái)產(chǎn)損失。

2.鋼筋混凝土構(gòu)件的受壓性能

鋼筋混凝土建筑在經(jīng)歷火災(zāi)之后，其鋼筋混凝土構(gòu)件的受壓性能也會(huì)發(fā)生不同程度的變化，受壓性能會(huì)大大地降低，鋼筋混凝土構(gòu)件火災(zāi)之后也不能再承受一些較大的壓力，否則建筑物會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

以往模擬鋼筋混凝土構(gòu)件受壓性能的實(shí)驗(yàn)中，用建筑的一個(gè)柱子作為建筑的受力點(diǎn)與核心，這個(gè)柱子代表著整個(gè)建筑的支撐核心，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)模擬建筑起火的場(chǎng)景，同時(shí)測(cè)量柱子周圍的火災(zāi)溫度，研究不同的環(huán)境溫度下這些柱子的損壞程度。這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)變量，一是柱子周期的環(huán)境溫度變化，而是柱子接受高溫的時(shí)間長(zhǎng)短。

利用不同時(shí)間與不同溫度下建筑物柱子損壞的程度建立起數(shù)據(jù)模型，大致的研究結(jié)果是：一些鋼筋混凝土建筑物在火災(zāi)中，溫度越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)的情況下會(huì)遭到巨大的損壞，甚至倒塌。因此，建筑物在火災(zāi)下的受壓性能實(shí)驗(yàn)研究是尤為重要的。

3.鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪性能

鋼筋混凝土構(gòu)件還會(huì)受到一定大小的剪切應(yīng)力，而人們往往會(huì)忽視物體剪應(yīng)力的存在，因?yàn)橐话阄矬w的抗剪切應(yīng)力比較強(qiáng)。而一些建筑物在經(jīng)受了高溫火災(zāi)之后抗剪切應(yīng)力會(huì)急速地下降，下降的幅度是建筑物所有性能中最大的。這一現(xiàn)象在生活也有體現(xiàn)，比如筷子在常溫下幾乎不能兩頭擠壓使其斷裂，而筷子在經(jīng)歷高溫之后，筷子的硬度就會(huì)變小，因此從兩頭擠壓就會(huì)很容易使其斷裂。

二、關(guān)于火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度影響的升溫曲線研究

可以看出，以往的研究主要是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，借助理論對(duì)鋼筋混凝土建筑的性能進(jìn)行分析與總結(jié)，而本文提出了新的研究模型。這個(gè)模型是基于鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度受火災(zāi)影響的研究，對(duì)不同溫度下鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度與性能變化進(jìn)行分析。

在鋼筋混凝土建筑的火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)人員都會(huì)擬定不同的火災(zāi)溫度，在不同的溫度條件下觀察并鋼筋混凝土構(gòu)件的變化。鋼筋混凝土構(gòu)件在經(jīng)歷溫度變化的過(guò)程中自身的溫度主要有三個(gè)階段的變化，分別是成長(zhǎng)期、旺盛期和衰減熄滅期。這三個(gè)階段中，鋼筋混凝土構(gòu)件在火災(zāi)環(huán)境下的溫度變化規(guī)律呈正弦曲線的模式，鋼筋混凝土構(gòu)件在火災(zāi)中的溫度曲線變化隨時(shí)間的變化曲線關(guān)系式如下：

其中t表示的是發(fā)生火災(zāi)的時(shí)間值，θmax表示鋼筋混凝土構(gòu)件在火災(zāi)中最高的溫度值，即該函數(shù)的幅值；ω表示的是火災(zāi)發(fā)生時(shí)的角頻率；α表示的是該溫度變化方程的系數(shù)，一般取值在0.5～0.9之間。

利用該曲線方程，我們可以進(jìn)行火災(zāi)發(fā)生的整個(gè)過(guò)程中鋼筋混凝土構(gòu)件溫度變化的模擬。但是生活實(shí)際中，火災(zāi)發(fā)生的過(guò)程較為復(fù)雜，外界環(huán)境影響因素較多，鋼筋混凝土構(gòu)件的溫度變化并不會(huì)完全參照以上正弦函數(shù)的變化規(guī)律。因此，以上溫度變化模擬模型還需進(jìn)行進(jìn)一步的修正與完善，以更貼合生活實(shí)際。1990年 “標(biāo)準(zhǔn)升溫-時(shí)間曲線圖”的提出為本文的模型研究提供了新的思路，這個(gè)計(jì)算公式為：

式中的t與式（1）中表示的內(nèi)容相同，To表示的是模擬試驗(yàn)中爐子的初始溫度，T表示的是試驗(yàn)中爐子溫度的變化。該公式雖然簡(jiǎn)單而基本，但與本文研究的鋼筋混凝土構(gòu)件的實(shí)際溫度變化相近。

圖1曲線可以反映出，鋼筋混凝土構(gòu)件火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度的變化規(guī)律，溫度變化課分為三個(gè)階段：成長(zhǎng)期、旺盛期和衰退期。第一階段是快速地上升，第二階段是快速地降低，第三階段是緩慢地降低。

三、結(jié)束語(yǔ)

從本文的研究可以看出，鋼筋混凝土構(gòu)件在經(jīng)歷火災(zāi)后溫度變化有三個(gè)階段，先快速地上升，然后快速地降低，最后緩慢地降低。但鋼筋混凝土構(gòu)件溫度達(dá)到一定程度時(shí)，其強(qiáng)度與韌性會(huì)大大地降低，自身的抗震、抗壓性能也大不如前。因此，我們需要控制火災(zāi)最高溫，在鋼筋混凝土構(gòu)件受到破壞前采取有效的保護(hù)措施。

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