升降溫全過程鋼筋混凝土截面剛度和抗壓強度研究

盧錦鐘

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000）

隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，易燃裝修材料的大量普及以及電器、燃氣的廣泛應(yīng)用，引發(fā)的建筑火災(zāi)也越來越多，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失。一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)過程中較少發(fā)生整體坍塌，而只是產(chǎn)生一定的火災(zāi)損傷，火災(zāi)后經(jīng)加固修復(fù)后仍可繼續(xù)服役?；馂?zāi)后鋼筋混凝土的剩余剛度及抗壓強度是災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全評估的重要內(nèi)容，它的準(zhǔn)確評估是災(zāi)后加固修復(fù)的重要基礎(chǔ)。

目前有關(guān)火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究已有不少文獻報道，在試驗方面，吳波[1-3]等通過對高溫后鋼筋混凝土柱的周期性往復(fù)加載試驗等進行了高溫后鋼筋混凝土柱的抗震性能研究；王全鳳等[4]以HRBF500級鋼筋混凝土梁為研究對象進行了常溫下和受火后鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能試驗。在數(shù)值計算方面，徐玉野[5]利用自編分析程序?qū)SO834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用后鋼筋混凝土柱的剩余承載性能及方形柱剩余承載力的實用計算方法進行了研究；朱建明等[6]基于等效彈性模量法、改進分段模型法以及參數(shù)反演法等計算了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用后混凝土構(gòu)件的剩余剛度。需要指出的是，在火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能計算分析中，目前關(guān)于混凝土截面的溫度場大多只是采用升降溫曲線的升溫段計算得到，并沒有考慮升降溫全過程作用下混凝土截面各點經(jīng)歷的最高溫度。由于在火災(zāi)降溫初期，混凝土截面溫度場仍存在溫度梯度，截面大部分區(qū)域溫度仍會繼續(xù)升高而后才逐漸下降。因此，只考慮火災(zāi)升溫段下混凝土截面的溫度場并不能反映混凝土經(jīng)歷的最高溫度，以此為基礎(chǔ)分析火災(zāi)后混凝土的力學(xué)性能結(jié)果也偏向不安全。

因此，為更準(zhǔn)確合理地評估混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的力學(xué)性能，本文擬利用鋼筋混凝土截面在升降溫全過程所經(jīng)歷的最高溫度分布，計算高溫后鋼筋混凝土截面的初始軸向剛度、抗彎剛度及抗壓強度，并與以火災(zāi)升溫段下溫度場的計算結(jié)果作對比分析，探討兩者計算結(jié)果的差別。

1 計算程序驗證

以文獻[7]中所用的溫度場分析程序FIRES為基礎(chǔ)，對其稍作修改以用于混凝土截面溫度場的升降溫全過程分析。

利用程序FIRES對文獻[8]的三面受火混凝土梁升降溫全過程的溫度場進行數(shù)值模擬，試驗過程中升降溫曲線如圖1所示，梁截面尺寸、受火面及測點布置如圖2所示。

圖1 實測爐溫與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對比

圖2 梁截面尺寸及溫度測點（單位：mm）

圖3所示為混凝土梁截面內(nèi)3個測點的溫度計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，從圖中可以看出，溫度計算結(jié)果與試驗結(jié)果總體吻合較好，說明本文程序FIRES可用于混凝土構(gòu)件的升降溫全過程溫度場分析。

圖3 溫度場計算結(jié)果與實測結(jié)果的對比

2 混凝土截面升降溫全過程溫度場分析

基于上述溫度場分析程序FIRES，本文對400 mm×400 mm的混凝土方形截面進行三面受火升降溫全過程的溫度場分析，研究其截面各點經(jīng)歷的最高溫度分布情況。

本算例所用的升降溫曲線采取ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，如圖4所示。圖中各斜直線對應(yīng)于不同升降溫臨界時刻下的降溫段。該標(biāo)準(zhǔn)升降溫曲線表達式如下[9]：

其中t為火災(zāi)發(fā)生后的時間，min；th為升溫段持續(xù)時間，min。

圖5分別給出了升溫120 min降溫240 min全過程的最高溫度分布圖和在升-降溫臨界時刻120 min時的截面溫度場。從圖5可以看出，越接近截面受火邊界，兩者的溫度差別越??；截面內(nèi)某些區(qū)域在升降溫全過程的最高溫度比升-降臨界溫時刻120 min時截面溫度大很多，如圖5b中的200℃等溫線位置，對應(yīng)于圖5a約為400℃等溫線位置，兩者溫度相差達200℃。

圖4 ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

圖5 升溫120 min后降溫240 min混凝土截面溫度情況圖

為更清楚地了解升降溫全程各點經(jīng)歷最高溫度與升-降溫臨界時刻截面溫度的相差值，圖6分別給出了三面、四面受火情況下升溫120 min降溫240 min全過程各點經(jīng)歷最高溫度與升-降溫臨界時刻120 min時截面溫度的差值等值線圖。

圖6 升降溫全程各點經(jīng)歷最高溫度與升-降溫臨界時刻120 min時截面溫度的差值等值線圖

從圖6中可以看出：1）三面受火時，最大溫差等值線位于截面中心下方約50 mm處，溫差可達240℃；2）四面受火時，最大溫差等值線位于截面中心處，溫差可達280℃；3）受火面附近20 mm區(qū)域，溫度差值不大，遠離受火面，溫度差值逐漸增大。

3 高溫后鋼筋混凝土截面的剛度及抗壓強度

目前有關(guān)高溫后混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估及力學(xué)性能分析所采用的截面溫度場均是以升降溫曲線中的升溫段計算得到，并沒有考慮在降溫段混凝土溫度仍繼續(xù)上升的情況。由上述分析可知，只考慮火災(zāi)升溫段下混凝土材料的溫度場并不能反映混凝土經(jīng)歷的最高溫度，以此為基礎(chǔ)分析火災(zāi)后混凝土的力學(xué)性能結(jié)果也偏向不安全。因此，本文擬依據(jù)混凝土材料經(jīng)歷的最高溫度，分析高溫后混凝土截面的初始軸向剛度、初始抗彎剛度及抗壓強度，并與以升-降溫臨界時刻溫度場為基礎(chǔ)的計算結(jié)果對比，分析兩者計算結(jié)果的差別大小。

圖7 截面計算示意圖

根據(jù)圖7所示高溫后鋼筋混凝土截面的計算示意圖，可寫出高溫后鋼筋混凝土截面的初始軸向剛度

高溫后鋼筋混凝土截面的初始抗彎剛度

高溫后鋼筋混凝土截面的軸向抗壓強度

以鋼筋混凝土方形截面為例，截面邊長分別為300 mm、400 mm和500 mm，截面對稱配筋，全截面配筋率為2.1%，混凝土凈保護層厚度取30 mm，混凝土抗壓強度fc=300 MPa，鋼筋屈服強度fy=375 MPa。算例采用如圖4所示的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升降溫曲線，火災(zāi)升-降溫臨界時刻分別為60 min、90 min、120 min和180 min，升降溫全程總時間為8 h。高溫后混凝土和鋼筋的彈性模量、抗壓強度等參數(shù)取自文獻[10]。

圖8～10分別為對應(yīng)不同升-降溫臨界時刻（即圖中橫坐標(biāo)所示的火災(zāi)開始降溫時刻）下的高溫后鋼筋混凝土截面的軸向剛度比（高溫后軸向剛度/常溫軸向剛度）、抗彎剛度比（高溫后抗彎剛度/常溫抗彎剛度）和抗壓強度比（高溫后抗壓強度/常溫抗壓強度），圖中實心和空心標(biāo)記分別對應(yīng)依據(jù)升降溫全程經(jīng)歷的最高溫度、升-降溫臨界時刻截面溫度場的計算結(jié)果。從圖中可以看出：

（1）隨著升-降溫臨界時刻的增大，高溫后鋼筋混凝土截面的軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比均逐漸減??；對應(yīng)同一升-降溫臨界時刻，四面受火的高溫后軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比均比三面受火的小。

（2）同一升-降溫臨界時刻對應(yīng)的高溫后軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比隨著鋼筋混凝土截面尺寸的減小而減小。這主要是由于截面尺寸小時，截面內(nèi)溫度較高導(dǎo)致材料劣化更為嚴(yán)重所致。

（3）圖中實心標(biāo)記與相應(yīng)空心標(biāo)記的縱坐標(biāo)差異顯示，以升降溫全程的最高溫度分布圖所計算所得的軸向剛度、抗彎剛度和抗壓強度，均明顯小于依據(jù)升-降溫臨界時刻截面溫度場的計算結(jié)果。為對比兩種計算結(jié)果的差別，圖11給出了三面受火情況下兩者的相差比率，其中相差比率=（升-降溫臨界時刻溫度場的計算結(jié)果—最高溫度分布的計算結(jié)果）/最高溫度分布的計算結(jié)果。

圖8 以升降溫全程經(jīng)歷的最高溫度、升-降溫臨界時刻溫度場所計算的高溫后軸向剛度比

圖9 以升降溫全程經(jīng)歷的最高溫度、升-降溫臨界時刻溫度場所計算的高溫后抗彎剛度比

圖10 以升降溫全程經(jīng)歷的最高溫度、升-降溫臨界時刻溫度場所計算的高溫后抗壓強度比

從圖11可以看出：隨著升-降溫臨界時刻的增加，相差比率均先增加而后逐漸平緩甚至下降；3種情況的相差比率均在10%以上。從總體上看，軸向剛度比的相差比率較大，最大可達35%；抗彎剛度比的相差比率次之，最大相差比率接近20%；而抗壓強度比的相差比率相對較小，最大約17%。

從以上分析中可知，在火災(zāi)環(huán)境降溫階段，混凝土截面大部分區(qū)域溫度繼續(xù)上升會導(dǎo)致截面力學(xué)性能的進一步降低，且這種后續(xù)升溫的影響不容忽視。部分學(xué)者在評估高溫后鋼筋混凝土的損傷時，以升-降溫臨界時刻截面的溫度場作為混凝土截面經(jīng)歷的最高溫度，其計算結(jié)果是偏向不安全的。因此，建議對高溫后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估，應(yīng)依據(jù)升降溫全程混凝土截面各點經(jīng)歷的最高溫度進行計算。

圖11 以升降溫全程經(jīng)歷的最高溫度、升-降溫臨界時刻溫度場所計算的結(jié)果相差比率

4 結(jié)論

火災(zāi)后鋼筋混凝土的軸向剛度、抗彎剛度及抗壓強度是災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全評估的重要內(nèi)容，它的準(zhǔn)確評估是災(zāi)后加固修復(fù)的重要基礎(chǔ)。而混凝土截面在升降溫全過程中所經(jīng)歷的最高溫度是混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后損傷評估計算的依據(jù)。本文通過試驗數(shù)據(jù)驗證溫度場分析程序正確性的基礎(chǔ)上，依據(jù)升降溫全程混凝土截面各點經(jīng)歷的最高溫度分布，分析了高溫后鋼筋混凝土截面的軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比，并與依據(jù)升-降溫臨界時刻截面溫度場的計算結(jié)果作對比，初步得到如下結(jié)論：

（1）隨著升-降溫臨界時刻的增大，高溫后鋼筋混凝土截面的軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比均逐漸減??；對應(yīng)同一升-降溫臨界時刻，四面受火的高溫后軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比均比三面受火的小。

（2）同一升-降溫臨界時刻對應(yīng)的高溫后軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比隨著鋼筋混凝土截面尺寸的減小而減小。

（3）依據(jù)升降溫全程的最高溫度分布圖計算所得的軸向剛度比、抗彎剛度比和抗壓強度比，均明顯小于依據(jù)升-降溫臨界時刻截面溫度場的計算結(jié)果。建議對高溫后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估，應(yīng)依據(jù)升降溫全程混凝土截面各點經(jīng)歷的最高溫度進行計算。