钢筋混凝土结构抗高温性能

许海斌 王晓峰 杨晨 吴琪宇 朱泽宇 浙江科
技学院
钢筋混凝土结构抗高温性能研究综述
【摘要】随着钢筋混凝土在现代建筑中越来越广泛的使用和近年来建筑物火灾发生的增长,人们有必要对混凝土结构的火损伤行为有更系统和量化的理解。

在高温(火灾)条件下,钢筋混凝土的结构性能将发生重要的变化,比如抗压、抗拉强度,粘结锚固性能损失等等。

本文就从高温(火条件)下及高温后普通钢筋、预应力钢筋及混凝土等结构材料在材料性能退化规律的研究成果方面进行简要的介绍,从而掌握钢筋混凝土抗高温的性能规律，为保障火灾时人民的生命财产安全做出贡献。

【关键词】钢筋；混凝土；高温；抗火性能
1 钢筋混凝土构件截面温度场的计算
高温作用下,材料性能受到不同程度的损伤,混凝土的强度和弹性模量随温度升高而降低,钢筋虽有混凝土保护,强度也会降低.无论是进行高温下和高温后钢筋混凝土材料的强度和变形规律研究,以及钢筋混凝土构件和结构抗火性能的理论分析,还是计算构件和结构的高温承载力和火灾后剩余承载力,都必须首先分析构件的截面温度场.在火灾中,钢筋混凝土构件截面的温度分布随着时间发生变化,升温曲线!构件截面形状!材料的热工性能等都会影响截面的温度场.在确定结构温度场时,一般可根据工程要求的计算精度采用如下几种方法:简化成稳态的和线性的一维或二维问题,求解析解;用有限元法或差分法,或二者结合的方法,编制计算机程序进行数值分析,有些通用的结构分析程序可以计算简单的温度场问题;制作足尺试件进行高温试验,加以实测;直接利用有关设计规程和手册所提供的温度场图表或数据.
1.1 火灾温度的确定方法
文献[1]认为国际标准化组织(ISO)采用的火灾升温曲线能满足大多数火灾的升温曲线,为多数国家所采用.标准升温曲线可按公式(1)计算:
0T-T 345lg(81)t =+ （1） 式中 T －在时间t 时的炉温,℃; 0T －加温前炉内温度℃,t －时间,min
根据火灾区域面积!可燃物种类和数量、通风条件等计算出火灾燃烧持续时间,再根据标准升温曲线推算出火灾温度,或者根据火灾后现场残留物燃烧情况来判断火灾温度.求得火灾温度后,可根据热传导理论计算出构件表面温度和截面温度场.
1.2 混凝土的热工性能
在分析截面温度场时,必须掌握材料的基本热工性能,比如温度膨胀变形、单位热容量、导热系数和质量密度等.这些参数的数值因材料而异,随温度的升高而非线性地变化.混凝土的热工性能因原材料的矿物化学成分!配合比和含水率等因素的差别而有较大变化,且试验数据的离散度大,下面简单列举各参数的一般变化规律.
(1)质量密度c ρ:混凝土升温后失水,质量密度略有减小,计算时一般取常值2400kg/m 3.
(2)热膨胀系数c α:随温度增加,不同骨料混凝土的c α值都将增大,但超过一定温度(T ≥800℃)
时, c α近似常数,为简化计算,不考虑骨料类型的影响,直接给出c α与温度的关系:
6(0.00086)10c T α-=+⨯ （1/℃） (2)
(3)单位热容量Cc:指单位质量的材料温度升高1℃所吸入的热量.混凝土的单位热容量随温度的升高而缓慢增大,而骨料类型!配合比和水分对混凝土的热容量影响都不大.文献[2]给出了简化的计算公式:
2900804[]120120
c T T C =+⨯- (/J kg ℃) 20℃≤T ≤1200℃ (3) (4)导热系数c λ:指单位温度梯度情况下通过单位面积的热流速度,单位为W/(m ℃).混凝土的导热系数随温度升高而明显减少,不同骨料的混凝土的导热系数可相差一倍以上.当温度升高后,除了轻骨料混凝土外,一般常用的混凝土骨料对导热系数影响随温度升高而减小.因此,文献[3]给出了导热系数与温度的简化关系式:
0001.90.000850C T 800C 1.22T>800C c c T
λλ⎫=-≤≤⎪⎬=⎪⎭
(4) 2 结构材料的抗高温力学性能
结构的抗火性能包括结构在火灾时和火灾后的承载能力、变形能力、稳定性和完整性.结构材料的高温性能(高温下和冷却后)是研究结构抗火性能的基础.钢筋混凝土材料的高温性能主要包括钢筋和混凝土在高温下和冷却后的强度、弹性模量、应力应变关系、膨胀、收缩、徐变及两种材料间的粘结滑移性能.
文献[1]根据已有的工程实践经验和试验研究成果，抗高温的钢筋混凝土结构具有下述受力特点：
（1）不均匀温度——混凝土的导热系数极低。

结构受火后表面温度迅速升高，但杆系结构一般不考虑沿构件纵向的温度不均匀性。

决定截面温度场的主要因素是火灾温度和持续时间，以及构件的形状、尺寸和混凝土的热工性能等。

温度场对结构的内力、变形和承载力等有很大影响。

（2）材料性能的严重恶化——高温下，钢筋和混凝土的强度和弹性模量降低很多，混凝土还出现开裂、边角崩裂等现象，是构件的承载力和耐火极限严重下降的主要原因。

（3）应力－应变－温度－时间的耦合本构关系——分析一般的常温结构时，只需要材料的应力－应变本构关系。

高温结构的温度值和持续时间对于材料的变形及强度值影响很大。

（4）截面应力和结构内力的重分布——截面的不均匀温度场产生不等的温度变形和截面应力重分布。

超静定结构因温度变形受约束而发生内力重分布，改变了结构的破坏机构和破坏形态，影响了极限承载力。

2.1 钢筋
2.11 钢筋高温下的强度
在一般的钢筋混凝土构件中,常用的钢筋主要分为预应力筋和非预应力筋高温(火条件)下,钢筋的强度和变形性能的变化必然影响钢筋混凝土结构的受力性能，特别是预应力混凝土结构,一旦发生火灾,就会因为钢筋在高温下的短期徐变比常温下要大得多,而且在较高温度和较高应力水平下的钢筋短期徐变将趋向于不稳定状态,致使结构的变形量增大等原因,而
将引起预应力高强钢筋(丝)的预应力丧失,钢筋(丝)的强度显著降低,结构的承载能力严重受损因此,研究高温(火条件)下钢筋的受力性能是十分必要的。

普通低碳钢筋随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,其强度还比常温时略高,但塑性降低.超过400℃时,强度随温度升高而降低,塑性增加.低合金钢筋在300℃以下时,其强度略有提高,但塑性降低超过300℃时,其强度降低而塑性增加.低合金钢筋强度降低幅度比普通低碳钢筋小.冷加工钢筋(冷拉冷拔)在冷加工过程中所提高的强度随温度升高而逐渐减小和消失,但冷加工所减小的塑性可得到恢复高强钢丝没有明显的屈服强度,在火灾高温作用下,其高温抗拉强度值降低要比其它钢材更快.文献[11]给出了各种类型的钢筋在高温下设计强度降低系数.
而对于预应力钢筋,其强度在高温下的降低速率较普通钢筋的快。

另外,在高温下其还易产生预应力损失。

当温度变化时,预应力钢筋会因热胀冷缩现象而随之发生应变变化。

处于高温环境(温度大于100℃)中的预应力钢筋,随温度升高而产生的伸长应变与温差之间不再符合线性关系,这是因为高温作用同时会使预应力钢筋的弹性模量也发生改变,并且预应力钢筋在处于比一般温度下的应力状态更高的高应力状态时,就必将会引起高温下钢材的蠕变和松弛急增,从而导致预应力混凝土构件中预应力钢筋的预应力产生进一步的损失而减少。

在文献[18]中表明了当预应力筋的受热温度达到200℃时,其预加应力值将减少45%~55%;受热达到300℃时,几乎将失去全部预加应力。

2.1.2 钢筋高温后强度
高温后,冷却钢材使其温度下降,其材料性能得到适当恢复,此时其强度比高温下的强度要高出许多。

比如:当遭受的最高温度低于600℃时,普通钢筋性能基本上可完全恢复,本构关系也可与灾前取为相同文献[34]。

由此可见,高温后的普通钢筋的强度要比高温下的强度高。

普通钢筋高温后的强度降低主要是由于遭受的温度>600℃时钢筋表面的脱碳现象等引起的。

钢筋的冷却方式主要有炉内冷却、空气冷却、喷水冷却三种,但目前一般在火灾下常用的冷却方式是喷水冷却。

在对试验结果进行分析、比较后发现冷却方式对高温后普通钢筋强度影响不大,可不予考虑。

文献[25]中给出了高温后热轧钢筋屈服强度的退化规律:
0401.03301.1 3.010330T y y T C f f T T C -⎧≤⎪=⎨-⨯>⎪⎩ （4）
2.2 混凝土
2.2.1 强度
混凝土是一种地方性人工材料,其力学性能随原材料的矿物成分和配合比而变化.由于内部存在微裂缝且缺少统一试验标准,已有的试验数据比较离散,但变化规律基本一致.
混凝土受到高温作用时水泥石收缩,骨料随温度升高产生膨胀,两者变形不协调使混凝土产生裂缝,强度降低.当温度达到400℃以后,混凝土中的Ca(OH)2脱水,生成CaO,混凝土严重开裂.当温度大于570℃时,骨料体积发生突变,强度急剧下降.影响混凝土高温下抗压强度的因素很多,尤其是加热速度、不同温度－应力途径、配合比、骨料类型等.文献[4]考虑不同温度－应力史,给出了混凝土高温强度上、下限的计算式,而一般的温度－应力途径下的强度处于上、下限之间,随初始应力和温度变化十分明显.文献[5]认为粗骨料相同而强度等级不同
的混凝土在同一高温下的抗压强度值(/T cu cu f f )相差一般不超过3个百分点;强度等级相同的
混凝土,花岗石骨料比石灰石骨料混凝土的高温抗压强度稍低.图2.2-1、2.2-2给出了高温下棱柱体抗压强度变化规律。

随着温度的升高,其抗压应力-应变曲线逐渐趋于扁平。

图2.2-1 棱柱体抗压强度图2.2-2 应力－应变曲线
混凝土在火灾(高温)后的残余强度对于评估受损结构的安全度和制定加固方案有重要意义.文献[6]考虑了高温前混凝土的含水率、试件尺寸、热处理制度及高温后试件存放时间对混凝土强度的影响.认为湿度高的混凝土高温后剩余强度较湿度低的相应强度低,但随混凝土含水率的下降,湿度对强度影响变得不太敏感;大尺寸试件在200℃前强度低于小尺寸试件,可能是由于内部蒸汽压大混凝土破坏;200℃后小尺寸试件内部最先达到最高温度,且恒温时间长,损伤大,高温后剩余强度低于大尺寸试件;快速冷却造成试件内外很大温差,加重混凝土内部结构损伤,使高温后强度比缓慢冷却下的低;恒温2h强度比1h强度低,但差别不大.文献[5]的试验结果表明高温后残余抗压强度与高温下的抗压强度值很接近,混凝土内部结构和抗压强度在缓慢降温过程中及回到室温后无大变化.文献[19]考虑了冷却方式及冷却后所处环境等因素对高温后混凝土抗压强度的影响,认为喷水冷却比自然冷却强度要低,冷却后放在潮湿环境中的混凝土抗压强度要低于放在自然环境中的混凝土抗压强度.文献[7]给出高温后混凝土强度在不同升温速率下试验结果的差别.高温燃油炉比电炉升温速率快,高温燃油炉升温曲线条件下的混凝土强度呈逐渐下降趋势,而电炉升温曲线条件下的混凝土强度在25~400℃温度范围内下降不明显,而400℃以后下降较快.并比较了高强混凝土与普通混凝土高温后强度变化规律,二者相似,但高强混凝土强度损失比普通混凝土强度损失大.温度较低时,高强混凝土强度下降不明显;当温度高于600℃时,强度大幅度下降.文献[24]进行了高温后高强混凝土的力学性能试验研究,并与普通混凝土进行了比较,发现在常温至500℃温度范围内,高强混凝土具有明显不同于普通混凝土的特点,快速升温时发生爆裂现象,其抗火性能低于普通混凝土.
2.2.2变形
混凝土的应变是混凝土结构受力分析中最基本的参数之一.在较低的温度范围内(80℃以内)当混凝土承受外来荷载并同时考虑温度作用时,计算应变的方法是二者简单的迭加.但是大量的试验研究表明,当温度较高(80℃以上)时,处于压应力状态的混凝土在升温过程中,产生较显著的瞬态热应变和短期高温徐变,使得其膨胀量远远小于上述方法迭加的结果,甚至产生压缩变形.其中,瞬态热应变的数值很大,远远大于常温下混凝土的受压峰值应变,也大于高温时的短期徐变.瞬态热应变的存在使得混凝土在高温下产生应力松弛或应力重分布,因此在混凝土高温分析中必须加以考虑.尽管国内外学者对混凝土瞬态热应变进行了试验研究和理论分析,但是其机理至今尚不清楚,一般认为是混凝土内水泥凝胶体在高温时发生物理化学变化等原因引起的.文献[8]以两种基本的温度)应力途径分析了不同温度)应力途径下混凝土变形的巨大差别,提出高温时应力变形和应力下温度变形(即自由膨胀变形与瞬态热应变的差值)等概念,并给出各自的计算公式.文献[4]将高温过程中混凝土的应变分成三部分研究,即恒温下的应力应变、恒定应力下的温度应变和短期高温徐变,并给出计算公式.文献[9]给出了高强混凝土自由膨胀应变以及瞬态热应变的计算公式,并与普通混凝土作了比较.分析结果表明
高强混凝土在恒定应力下的温度变形与普通混凝土有较大不同,与初始应力水平和温度值密切相关,得出结论如下:(1)在相同温度下,高强混凝土自由膨胀变形大于普通混凝土,且温度越高越明显;(2)在相同应力水平下,高强混凝土的温度变形大于普通混凝土;(3)在相同应力水平下,高强混凝土的瞬态热应变低于普通混凝土.以上分析结果可供高温下高强混凝土结构的耐火设计及理论分析参考.
3 小结
研究钢筋混凝土结构的抗火性能对我国建筑业的蓬勃发展有很重要的意义。

本文通过对钢筋混凝土构件的两个主要组成部分:钢筋和混凝土,分别在高温下和高温后材料性能的分析、归纳,给出了普通钢筋、预应力钢筋及混凝土等结构材料抗高温的性能规律,希望能为人们研究混凝土及预应力混凝土结构的抗火性能及其损伤评估能提供些帮助。

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