混凝土结构抗火性能研究

混凝土结构抗火性能研究

摘要：由于城市的密集化程度越来越高，人口持续增长，多高层现代建筑（多以钢筋混凝土建筑居多）也越来越多，从而导致建筑火灾频繁发生，后果也越来越严重，造成人类生命及财产蒙受重大损失。因此有必要研究钢筋混凝土结构的抗火性能。

近年来，国内外开展了高温（火灾）下的钢筋混凝土材料、构件及相应结构的受力性能的实验研究及理论分析，并取得了一些成果，现就钢筋混凝土结构抗火性能研究内容、设计以及现状与发展做简单介绍。

关键字：混凝土抗火内容、设计、发展

0 引言

火灾给人类的生命财产造成极大的损失,火灾造成的经济损失仅次于干旱和洪涝,而发生的频度则位居各种灾种之首。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。建筑结构特别是钢筋混凝土框架结构在火灾中坍塌的事故时有发生,往往造成重大的人员伤亡和财产损失。研究钢筋混凝土结构的抗火性能十分必要和迫切。

1混凝土结构抗火理论研究内容

混凝土结构抗火的全过程分析包括三部分:室内火灾温度场分析、构件和结构内部温度场分析和抗火性能分析。本文主要介绍后两部分的

研究。

1.1混凝土构件和结构内温度场

1.1.1求解方法概述

为进行高温下的结构性能分析,一般先进行构件和结构内温度场分析,由于结构的内力和变形一般不影响热传导过程,因而可对温度场进行独立分析。构件和截面温度场由于受诸多因素如材性离散、边界条件处理等影响,理论分析较为复杂。以前的温度场确定主要通过试验实测,即通过在构件中预埋热电偶,积累大量数据绘制成相应的表格供查找参考。热传导方程是一个非线性抛物型偏微分方程,在用数值解法求解的过程中,除上文提到的空间有限元和时间有限差分结合法外,还有空间差分和时间差分结合法、空间有限元和时间有限元结合法等。目前研究者对温度场的计算对象均集中在构件如墙板、柱、梁等,由于热传导问题实际上是三维问题,这大大增加了理论求解的难度,因而研究者根据构件形状、受火条件等对计算模型进行简化,从而变为二维问题甚至一维问题。

钢筋混凝土墙片和平板的火灾温度场计算较简单,其温度场是火灾燃烧时间t和计算点距受火面距离h的函数,它可按照一维无限大平板热传导问题进行解析求解,也可进行一维差分和有限元求解。在目前的研究中,一般假定梁柱构件内部温度沿纵向一致,因而直接选取横截面,将温度场视为火灾燃烧时间t、计算点离高边和宽边距离的函数,按二维热传导问题计算。由于热传导方程只表明构件内部各点间的热量迁移规律,因而需先确定构件温度的初始条件和边界条件,

从而确定各点的温度。

1.1.2对钢筋的处理

由于温度场计算可独立于应力分析进行,对于钢筋对温度场的影响,以前的研究大都进行了简化,即将计算点处钢筋温度视为与同处混凝土温度相同处理。由于钢筋的热传导速度比混凝土快得多,尤其是对于配筋量较大的截面,钢筋的影响是不可忽视的。杨泽安对钢筋混凝土梁、板、柱中主筋温度计算方法进行了详细介绍,将混凝土板中的钢筋温度计算方程视为一维,将梁柱中的钢筋温度计算方程视为二维,热传导方程中的自变量为火灾燃烧时间t和计算点离边界面的距离,计算时除了考虑混凝土热传导系数、初始条件和边界条件外,还要考虑钢筋半径、钢筋热传导系数和钢筋保护层厚度等的影响。

1.1．3温度场影响因素的研究

影响温度场的因素较多,但目前的研究仍不够全面。由于骨料和水泥石的热膨胀和热工性能不同,高温作用必然使混凝土内部产生微裂缝,这些裂缝的存在和分布均是随机的,因而温度场分析时可将混凝土视为宏观连续均质体,但当这些裂缝宽度较大甚至贯通形成内部空隙和孔洞时,这种假定显然不符合实际,但目前尚未对此进行专门研究,更未形成理论体系。

1.2混凝土构件和结构在火灾中的力学行为研究

钢筋混凝土构件和结构的火灾反应分析是在温度场计算的基础上进行的,主要包括承载力、变形计算和耐火时间极限分析。

1.2.1承载力和变形计算

对一般构件而言,承载力变化主要取决于钢筋和混凝土在火灾中的损伤程度,而对超静定结构,还取决于不同部位构件在火灾中刚度下降不同而导致的内力重分布。在试验研究基础上,国内外都对梁、柱、框架等进行了不少火灾极限承载力试验,而在理论分析上,主要是对构件截面承载力进行计算。较早的抗火承载力计算是先确定温度场分布,对材料计入相应的强度折减系数,将高温下截面转化为有效截面,再按照类似于常温条件下的承载力求解方法求解。目前的理论计算已大大改进,一般做法是根据温度场计算结果将截面划分成区,计算内力和变形的关系,在截面承载力计算时,一般仍假定平截面假定成立,且忽略拉区混凝土的作用及剪切效应等,但需事先明确和建立钢筋和混凝土的高温本构关系、热变形及瞬时徐变模型。对于构件和结构的变形、挠度等的计算,可通过牛顿-拉夫逊(正切刚度)法,或把热膨胀、徐变与荷载产生的应变分开计算截面的弯矩-曲率关系,从而计算每一时刻的单元刚度,通过有限元完成分析计算,因此重点在于确定高温下钢筋与混凝土的应变[4]。目前,对承载力和变形的理论计算仍不完善,主要表现在建立计算模型时,引入了各种假定,忽略了某些影响因素。这些因素主要包括剪切作用、高温下钢筋混凝土粘结-滑移本构关系、热边界条件变化(尤其是混凝土开裂及内部缺陷损伤)等。

1.2.2耐火极限研究

目前,国内外在构件的耐火极限理论等方面的研究不够深入。董毓利指出,Harmathy提出的针对单层实心板、双层复合板、实心板的

经验半经验公式是基于1200多个构件的耐火试验得出的,并形成了一些确定耐火极限大小的规则。随着研究的不断深入,Karamoko等基于混凝土柱已提出了火安全分析方法,这有助于构件耐火极限的确定。在国内,陆洲导等以试验为基础,通过建立数学模型,采用有限元法预测梁的耐火性能,为确定建筑构件的耐火时间开辟了新的思路。这种思路可采用有限元、输入实际火灾情况下各种火灾过程的数学模型,而耐火试验只能在标准升温曲线下进行,从而预示了分析法逐渐取代耗资巨大的标准耐火试验的趋势,应该成为今后的研究重点。

2 基于计算的混凝土结构抗火设计

2.1 混凝土结构抗火设计要求

无论对混凝土构件还是整体结构层次的抗火设计,均应满足下列要求:

(1)结构耐火设计极限时间内,结构的承载力应不小于各种作用产生的组合效应Sm,即 Rd\Sm (1)

(2)规定的各种荷载组合下,结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm,即 td\tm (2)

(3)火灾下,当结构内部温度均匀时,结构达到承载力极限状态时的温度Td应不小于耐火极限时间内结构的最高温度Tm,即

Td\Tm (3)

上述三个要求实际上等效的,进行结构抗火设计时,满足其一即可。

2.2 火荷载的确定和荷载组合