钢筋混凝土的高温性能及其计算

钢筋混凝土的高温性能及其计算

混凝土结构在高温下比在常温下的性能要复杂得多，理论分析难度大。这是因为结构在环境温度变化的情况下形成了动态的不均匀温度场，高温使材料（混凝土和钢筋）的强度和变形性能严重劣化，又使结构产生剧烈的内（应）力重分布；还因为温度和荷载（应力）有显著的耦合效应，使材料的本构关系和构件的受力性能随温度—荷载途径而有较大变化。为此，需首先通过试验手段展示混凝土的材料、构件和结构在温度与荷载共同作用下的力学性能，然后进行机理分析，总结试验数据，归纳其一般规律，进一步建立准确的理论分析方法，并给出简化的实用计算方法，供工程实践中应用。

一、结构工程中的温度问题

结构工程中因为温度变化而发生的工程问题可分为三类：

（1）周期性温度超常。

（2）正常工作条件下长期高温。

（3）偶然事故诱发的短时间高温冲击。例如建筑物火灾的延续时间从数十分钟至数小时不等，在1h内可达1000℃或更高；化学爆炸或核爆炸、核电站事故等。

对于第三类问题，虽有建筑设计防火规范，但并没有解决结构的抗火分析和设计问题。建筑物遭受火灾后，其结构内部升温，形成不均匀的温度场，材料性能严重恶化，导致结构不同程度的损伤和承载力下降。作为建筑物的承重和支撑体系，其结构必须在火灾的一定时间期限内保持足够的承载能力，以便受灾人员安全撤离灾场，消防人员进行灭火，救护伤亡人员和抢救重要器物等活动。当结构达到下述极限状态之一时，即认为结构抗火失效：（1）承载能力极限；（2）阻火极限；（3）隔热极限。

人们从以往的火灾事故中吸取了教训和经验，明确了对付火灾的策略是“预防为上”，但防不胜防，仍须“立足于抗”。为了提高和解决结构与构件的抗火（高温）能力，曾经历了不同的发展阶段：初期，只是采取经验性的构造措施，例如加大钢筋的保护层厚度，采用耐热混凝土等；其后，建立大型试验设备，对足尺试件进行高温加载试验，直接测定其耐火极限或高温承载力；现今的趋向是在试验研究的基础上，进行全面的理论分析，包括建立材料的高温-力学本构模型，确定火灾的温度试件曲线，进行非线性的瞬态温度场分析，以及构件和结构的高温受力全过程分析。由于混凝土结构的高温性能很复杂，至今理论分析尚不完备，有待继续充实和改进。

二、混凝土结构高温性能特点

根据现有的试验和理论研究成果，以及工程实践经验，钢筋混凝土结构的抗高温性能和常温下的性能有很大差异，具有如下特点：

1、内部不均匀温度场

决定构件温度场的主要因素是火灾的温度时间过程，以及构件的形状、尺寸和混凝土材料的热工性能等；而结构的内力状态、变形和细微裂缝等对其温度场的影响却极小。反之，结构的温度场对结构的内力、变形和承载力等产生很大的影响和变化。所以，对结构的温度场分析可以独立于、也必须先于结构的内力和变形分析。

2、材料性能的严重恶化

高温下，混凝土和钢筋强度值恶弹性模量值锐减，变形猛增。混凝土还相继出现开裂、酥松和边角崩裂等外观损伤现象，且随温度的升高渐趋严重。这是混凝土构件和结构的高温承载力与耐火极限严重下降的主要原因。

3、应力-应变-温度-时间的耦合作用效应

分析一般结构的常温性能时，只需考虑材料的应力应变关系。但是高温结构的温度值和持续时间对于材料的强度和变形值有很大影响。而不同的升温-加载途径又有各异的材料变形和强度值，构成了混凝土材料的应力-应变-温度-时间四者的耦合效应，必须建立相应的耦合高温-力学本构关系，才能准确地分析结构的高温性能。这就大大地增加了构件和结构分析的难度及工作量。

4、构件截面应力的结构内力的重分布

构件截面的不均匀温度场必产生不等的温度变形和截面应力分布。超静定结构的高温部分必定产生激烈的内力重分布；而且，随着温度的变化和时间的延续，会形成一个连续的内力重分布过程，最终出现与常温结构不同的破坏机构和心态，影响了高温极限承载力。

三、材料的高温力学性能

1、混凝土的高温力学性能

在高温作用下，混凝土由于水分蒸发、骨料和水泥浆体的热工性能差异和骨料颗粒的高温膨胀、破裂等原因，造成材料内部的结构性损伤，且随高温的持续作用，故力学性能的恶化逐渐加剧。混凝土各项力学性能的恶化，依照严重程度由轻至重为：立方体抗压强度、降温后的抗压强度、棱柱体抗压强度、抗拉强度、粘结强度、弹性模量。各项性能随温度变化规律也不完全相同，但在一定高温后各项性能都接近衰竭，难以再利用。

混凝土的高温变形包括自由升温变形、高温时应力作用产生的变形和短期高温徐变等。超过400℃时高温变形值很大，使混凝土内部损伤，并在降温和卸载过程中都不能恢复。

混凝土高温力学性能的影响因素众多，变化幅度大，有些方面数据不足，有些方面物理现象的机理不明等，都给建立准确的耦合本构关系带来很大困难。2、钢材的高温力学性能

在高温作用下，钢材内部的金属晶体结构发生转变，致使力学性能发生相应变化。随着温度的升高，钢材的强度和变形性能逐渐恶化。按照性能质变下降幅度由小到大为：极限抗拉强度、屈服强度和弹性模量。在20℃~600℃之间，钢材的极限延伸率也不断减小。所有钢种在温度达800℃时，各项力学性能指标都已经很低，只及常温时的10%左右。

在不同的温度应力途径下，钢筋的强度和变形性能都发生了变化，但现有试验数据和理论分析尚不足以给出定量结论。

三、火灾的升温曲线和降温曲线

一次火灾的典型温度-时间曲线都经历初始燃烧阶段、充分燃烧阶段、熄灭阶段。但各阶段和全过程的持续时间及温度变化曲线的形状，对于每次火灾都可能有很大的差别。隧道内火灾时可能的温度分布情况主要受以下因素影响：（1）可燃物的数量、性质及分布；（2）隧道的大小、坡度等；（3）材料的热工性能。

国际化标准组织（ISO 834）建议建筑构件抗火试验曲线为：

0345lg(81)T T t =++

在隧道火灾方面，ISO 834升温曲线仅可以用来描述一次小型的隧道火灾。RWS 曲线的建立主要用于模拟油罐车在隧道中燃烧的情况。HC 可以用来描述隧道内发生的小型石油火灾的燃烧特征。HC inc 用来模拟比较严重的火灾情况，在HC 曲线的基础上，乘以放大系数。其他由实验得到的隧道内火灾升温曲线还有Runehamer 曲线、RABT 曲线等。

但真实的火灾情况远比一个升温曲线描述的情况复杂的多，实际的温度-时间曲线有很大的随机性。

四、构件的截面温度场

1、材料的热工参数

在结构的温度场分析理论中，建立热传导基本方程涉及的材料热工性能只有三项，相应地有三个基本参数：导热系数、质量热容和质量密度。其他的热工参数都可以从这三个参数导出。

混凝土内原有各种原材料的矿物化学成分和材质结构差异大，原本有着不同的热工参数。组成混凝土后，又因其配合比、含水量、施工工艺等的差别，其热工变异性大，已有的试验数据具有较大的离散度。对于一些重大工程，需要有准确的热工参数分析时，应制作试件通过专门的试验加以测定。对于一般的工程结构，可采用有关规程提供、适合应用的简化值。

在一般普通混凝土中，钢筋分布在混凝土内，用量有限，钢筋的存在对混凝土结构内部的温度分布影响很小。在分析结构温度时，忽略其中的钢筋，看做均质的混凝土材料，可以满足计算精度的要求。

2、热传导基本方程

根据能量守恒原理，，可建立瞬态传热的基本微分方程： 1d q T T T T t c x x y y z z c λλλρρ⎡⎤⎛⎫∂∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫=+++⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦ （2-1） 式中：

通常情况下，对结构高温分析时不考虑混凝土本身的发热，可取q d =0。 对工程中最常见的梁、柱等构件，一般假设沿构件轴线的温度相同，可简化为沿截面的二维温度场。

1T T T t c x x y y λλρ⎡⎤⎛⎫∂∂∂∂∂⎛⎫=+⎢⎥ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎣⎦

3、截面温度场的求解

热传导方程的各类边界问题的基本解法可见相关专著。

对结构在火灾或高温下的瞬态温度场分析中，既有变化的升温过程和随温度变化的材料非线性热工参数，又有复杂的边界条件，使得准确地求解非线性的、抛物线型的热传导偏微分方程非常困难，常借助于数值方法，即差分法和有限元法。