浅谈火灾中钢筋混凝土结构构件强度损失及表面判定方法

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浅谈火灾中钢筋混凝土结构构件强度损失分析及表面特征
一、前言
2003年11月3日湖南省衡阳市珠晖区衡州大厦一幢天井式的8层商住楼起火建筑倒塌事故,导致20名消防官兵牺牲,创造了新中国一次火灾事故消防官兵牺牲之最。

2004年11月,湖南常德桥南市场发生火灾,过火面积近2万m2,由于商贸城两栋建筑突然发生坍塌,给消防救援带来了困难,而且造成了人员的伤亡,经济损失达1.9亿元。

2005年8月2日,蒙牛乳业(马鞍山)有限公司冰淇淋厂北冷库发生火灾,过火面积约2800平方米,此次火灾造成3名消防战士牺牲,直接经济损失约300万元。

频发的建筑火灾倒塌事故,为新时期的消防工作提出了严峻的挑战。

作为建筑体系中起安全作用的建筑构件,它不仅承载着整个建筑的生命,而且也承载着使用者的生命,因此它如同生命线一样是人们在危险境遇下最后的防线。

因此,在建筑设计中,对建筑构件的耐火性能及燃烧性能要求的条款属于强制性条文,必须按照规范中的要求进行设计,以确保建筑构件具有基本的抗火能力。

目前,钢筋混凝土结构是我国主要建筑结构形式之一。

尽管钢筋和混凝土材料属于热惰性材料,但由于火灾的高温作用,材料性能将严重劣化,在结构中将发生严重的内(应)力重分布,使结构性能大大削弱,危及结构的安全。

积极研究和探讨建筑物在火灾作用下的破坏、倒塌特点和规律,准确判断火灾发生过程中钢筋混凝土建筑构件达到危险状况的临近时间,对于减少此类火灾事故中的人员伤亡和财产损失具有非常重要的现实意义。

二、火灾中混凝土强度受损分析
混凝土是水泥(通常硅酸盐水泥)与骨料的混合物。

当加入一定量水分的时候,水泥水化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构。

高温下,混凝土将产生热分解,从而改变了混凝土的力学和热学性能。

当混凝土受热后达100℃时,混凝土中的游离水开始排除,到200℃时,其化学结合水开始排除,在350℃时,发生硅酸钙和铝酸钙脱水,在570℃时,发生氢氧化钙脱水,开始分解,导致水泥石结构的破坏,使混凝土的强度显著降低。

英国混凝土规范中给出了混凝土随温度变化的强度损失(见图1)。

图1混凝土随温度变化的强度损失
从图1中我们可以看到,当混凝土受到低于350℃以下的火灾温度的影响时,可以认为其强度没有损失。

通过试验,我们也发现当受火温度低于350℃时,无论是喷水冷却还是自然冷却,混凝土强度均没有明显的降低;当温度超过350℃后,水泥石的晶架结构破坏严重,混凝土的强度开始显著下降,在这个过程中,喷水冷却的混凝土强度比自然冷却的混凝上强度下降更多。

主要是因为氢氧化钙在350~600℃之间脱水,产生水蒸汽,集料中碳酸钙在900~1000℃分解,产生CaO和CO2,由于CO2和水蒸气要从内部向外逸出,会使混凝土内部产生很大压力,因此会导致混凝土爆裂;另外,火灾中的混凝土结构如果喷水,其表面会突然冷却,导致混凝土内部与表面温差过大,进一步加剧混凝土的爆裂程度。

三、火灾中钢筋强度受损分析
钢筋混凝土构件在火灾温度下,其强度主要同钢筋高温性能有关,它直接影响着建筑构件在火灾下的反应。

钢筋混凝土一般用普通低碳钢筋,随着温度升高,屈服台阶逐渐减小,到300℃时,屈服台阶消失,其屈服强度可按0.2%的残余变形确定。

钢筋在400℃以下时,其强度还比常温时略高,但塑性降低。

这是由于钢材在200 ~350℃时蓝脆现象使其强度增加。

超过400℃时,强度随温度升高而降低,塑性增加。

到700℃时,钢筋强度要降低80%以上。

钢筋弹性模量也是随着温度的升高而不断下降的,这种变化是以约600℃为主要界限。

一般我们认为钢材中心温度达到540℃以后,其弹性模量开始明显下降。

而当钢筋受到预拉作用,形成预应力钢筋时,在高温状态下,预应力的损失较普通钢材严重,一般认为预应力钢筋的强度损失类似冷轧钢材。

普通钢材当温度在400℃时,一般其强度损失小于20﹪,而冷轧钢材受到400℃温度时,其强度损失已达50﹪。

图2 钢筋随温度变化的强度损失情况
四、钢筋和混凝土在高温下粘结力的损失分析
建筑物的梁、柱等承重构件,是靠钢筋和混凝土共同作用来完成的,通常情况下,钢筋、混凝土是一个完整的整体,它们之间的粘结力主要由混凝土硬化收缩时将钢筋握裹而产生的摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝土与钢筋接触表面的机械咬合力所组成。

在高温作用下,钢筋和混凝土在高温下发生不同程度的膨胀,由于钢筋和混凝土两种材料本身的热导率、膨胀系数的不同,一般认为钢筋的热膨胀系数是混凝土热膨胀系数的1.5倍,正常温度范围内两者之间具有良好的粘结关系,当混凝土构件受到火的高温后,这种关系被改变,造成混凝土与钢筋的逐渐剥离,失去了共同的作用。

这种不断地破坏,使构件混凝土的有效截面积不断地减小,从而使构件的承载力不断降低,接触面上的剪应力随之增大,加上混凝土抗压强度降低和混凝土内部产生裂缝等原因,从而使钢筋与混凝土的粘结力逐渐降低,直至完全破坏。

图3 几种钢筋与混凝土之间粘结强度降低情况
四、混凝土结构构件受损程度表面的判定
通过试验分析,我们可以根据结构受灾温度、变形大小、裂缝分布及扩展程度等,将混凝土构件的受损程度大致分为轻度损伤、中度损伤、严重损伤、危险结构。

4.1 轻度损伤,混凝土构件表面受热温度低于400℃,受力主筋温度低于100℃,构件表面颜色无明显变化,钢筋保护层基本完好,无露筋、空鼓现象。

除装修层有轻微损坏,其他状态与未受火结构无明显差别。

4.2 中度损伤,混凝土构件表面受热温度约400~500℃,受力主筋温度低于300℃,混凝土颜色由灰色变为粉红色,有空鼓现象,当使用中等力量锤击时,可打落钢筋保护层。

构件表面有局部爆裂,其深度不超过20mm。

构件露筋面积小于25%,混凝土表面有裂缝,纵向裂缝少,钢筋和混凝土之间粘结力损伤轻微,构件残余挠度不超过规范规定值。

4.3 严重损伤,混凝土构件表面温度约600~700℃,受力主筋温度约为350~400℃,钢筋保护层剥落,混凝土爆裂严重,深度可达30mm,露筋面积低于40%,构件空鼓现象较为严重,用锤敲击时声音发闷。

混凝土裂缝多,纵向、横向裂缝均有,钢筋和混凝土之间的粘结力局部严重破坏。

混凝土表面颜色呈浅黄色。

构件变形较大,受弯构件挠度超过规范规定值1~3倍,受压构件约有30%的受压钢筋鼓出,混凝土有局部烧坏。

4.4 危险结构,混凝土构件表面温度达700℃以上,受力主筋温度达400~500℃,构件受到实质性破坏,有明显受火烧融痕迹。

钢筋保护层严重剥落,表面混凝土爆裂深度达30 以上,钢筋有烧融、断裂现象,露筋面积大于40%。

构件纵向、横向裂缝多且密,钢筋和混凝土粘结力破坏严重,主筋有扭曲。

受弯构件裂缝宽度可达l~5mm,受压区也有明显破坏特征;支座附近斜裂缝多,构件挠度达到破坏标准,且有平面外变形。

构件沿垂直或水平面被分割成若干层。

受压构件失去稳定,局部破坏,50%以上受压钢筋鼓出。

柱牛腿烧损严重。

4.5.简易判定方法
五、结束语
火灾中建筑物发生倒塌的最终原因都是建筑物的承重构件失去承载能力而造成结构性破坏。

一方面建筑构件与建筑材料总体上来说都不具有真正意义上的抗高温能力,耐火极限概念只是相对的,在持续大火产生的火焰与高温中最终会被破坏,具有高温破坏或火焰破坏的特征。

另一方面建筑的结构设计特点决定了倒塌往往是瞬间的事,为满足人的活动空间需求及经济要求,垂直承重构件一般间距比较大,截面尺寸则尽可能小,与平面承重构件间普遍采用简支结构连接,因此任何一处垂直承重构件的突然损坏必然对建筑受力体系造成极大的损害,最后导致建筑物的倒塌。

建筑物在火灾作用下发生倒塌,是一个必然的过程,是一个完整建筑遭破坏的过程,更难以实施前期控制,就目前技术来说,还是很难对建筑物的火灾倒塌做出准确的预测和判断。

但建筑物的倒塌也并不是不可预测的,任何事物由一种形态发展到另一种形态,必然经历一个量变到质变的过程,火灾中建筑物的倒塌也是有规律可循的。

因此,消防部队基层指挥员在日常的灭火救援战斗中,要认真研究建筑物倒塌的成因,掌握倒塌的一般规律,在灭火与抢险救援中有针对性的采取一些预防和应对措施,对于减少人员伤亡、降低火灾损失具有重要的意义。

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