钢筋混凝土结构高温抗火性能研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND C E ME NT P RODUC 2 0 1 3 No 1 J a n u a r y 钢筋混凝土结构高温抗火性能研究 郑海波 ( 贵州路桥集团有限公司 ， 贵阳 5 5 0 0 2 3 ) 摘 要 ： 基 于 目前 国内外的研 究成果 ， 以钢 筋混凝土结构 为研 究对 象， 对钢筋混凝土材料 的热工性 能 、力 学性 能 以及 高温粘结性能进行 了研究分析 ； 运用灰 色系统理论对影响混凝 土高温粘 结性 能的各因素进 行 了灰关联 度分析。 关键词 ： 钢筋混凝土结构 ； 热工性 能 ； 力 学性能 ； 灰关联度 Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e c u r r e n t d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l r e s e a r c h r e s u l t s ，t a k i n g t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms a s t h e s t u d y o e c t ， t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h e r m a l p r o p e r t i e s ， m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d h i g h t e mp e r a t u r e b o n d i n g p r o p e rt i e s a r e r e s e a r c h e d a n d a n a l y z e d T h e g r a y s y s t e m t h e o r y i s u s e d f o r t h e i mp a c t f a c t o r s o f c o n c r e t e h i g h t e mp e r a t u r e b o n d i n g p e r f o rm a n c e ， a n d t h e g r a y c o r r e l a t i o n a n a l y s i s i s c a r r i e d o u t Ke y wo r d s ：Re i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ； T h e rm a l p e rf o rm a n c e ； Me c h a n i c a l p r o p e rti e s ： Gr a y c o r r e l a t i 0 n 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 1 6 1 0 5 T 研究背景 国外一些组织对建 筑结构的抗火性 能进行 了 系统的研究 ， 主要体现在对建筑材料 高温下 的力 学性能 ， 结构 、 构件火灾下 的升温过程及温度场 的 确定 ， 火灾条件下结构和构件的极 限承载能力及耐 火性能方面的研究 ， 并编订了相应 的建筑规范及行 业规则。 我国对建筑结构抗火性能的研究开展较 晚， 系 统 的研究始于上世纪 8 0年代 ， 以同济大学朱伯龙 、 陆洲导 为主的抗 火研究组 在材 料高温性能 、 钢 筋 混凝土 、 构件和结构抗火性能方面开展 了较为系统 的研究工作 ； 随后清华大学的李卫网、 过镇海等 卅 进 行 了混凝 土试件 和钢筋试件在 高温 中以及冷却后 的强度 、 弹性模量和应力一 应变关 系试验 ， 均对国内 结构抗火性能研究起 了积极的推动作用。 2混凝土的热工性能与力学性能 2 1 混凝土的热工性能 混凝土的热工性能指标主要包括热传导系数 、 质量热容 、 质量密度。 2 1 1 导热率或导热系数 ( A ) 材料 的导热系数 A 为单位时间( h ) 内、 在单位温 度梯度 ( K m) 情况下 ， 通过材料单位等温 面积 ( r f l ) 的热量 ( J ) ， 单位为 W ( m K) 或 W ( m ) 。对于普 通混凝土材料 ， 粗骨料 占总体积的大部分( 约 6 0 7 0 ) ， 对混凝土的热工性能起主导作用 。 文献 1 给出了高温下普通 混凝 土的导热系数 的一般计算公式， 即： 2 九 - 1 6 8 0 1 9 0 5 5 亩 加 0 0 8 2 ( 亩 J ( 2 0 1 2 0 0 C) 2 1 2 质量热容或比热容 ( c o ) 材料的比热容 C 为单位质量的材料 ， 当温度升 高 1 K( 或 1 ) 所吸入的热量( J ) ， 单位为 J ( k g K) 或 J ( k g ) 。 骨料类 型对 混凝 土的 比热容影 响不 大 。硅质 ( 石英 ) 骨料混凝土 比钙质 ( 石灰石 ) 骨料混凝土 的 质量热容稍大 ， 而各种轻骨料混凝土 比普 通混凝土 的质量热容稍小 。其他 因素如配合 比、 含水量和龄 期等对质量热容值的影响较小。文献 1 】 给出了高温 下普通混凝土的比热容也一般计算公式 ， 即： 9 0 0 ( 2 0 C 1 0 0 ( 2 ) 9 0 0 + ( T - I O 0 ) ( 1 0 0 7 1 2 0 0 C) 1 0 0 0 + ( T - 2 0 0 ) 2 ( 2 0 0 o C T 4 0 0 C) 1 1 0 0 ( 4 0 0 o C 1 2 0 0 C ) 2 1 3质量密度 ( ) 材料单位体 积的质量称为质量密度 ，单位 k g n l ， 也称体积质量 。 混凝 土的质量 密度在升温过程 中不断发生变 化。在升温的初期 ， 混凝土 内所含水分汽化后溢出 ， 质量密度减小。骨料和水泥等固体成分因受热膨胀 变形 ， 体积增大 ， 质量密度减小 。这一现象在整个升 温过程 中始终存在 ， 且在 高温阶段的影 响渐增。此 外 ， 不同矿物质成分的岩石骨料具有特殊 的高温现 象影响混凝土的质量密度。例如 ， 硅质骨料在 6 0 0 一 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 1 期 8 0 0 C 时分解并形成晶体 ，伴随着巨大的体积膨胀 ， 质量密度突然跌落； 玄武岩和石英在 1 2 0 0 - 1 4 0 0 ( 2 时 熔化 、 烧结 ， 又使混凝土的质量密度 回升 。 文献 1 给出了普通混凝土质量密度随温度变 化的一般计算公式 ， 即： p c = P ( 2 0 C 1 1 5 C ) P 1 - 0 0 2 ( T - 1 1 5 ) 8 5 ( 1 1 5 7 1 2 O 0 ) P 0 9 8 - 0 0 3 ( T - 2 0 0 ) 2 0 0 ( 2 0 0 C T 4 0 0 C) p 【 0 9 5 - 0 0 7 ( T - 4 0 0 ) 8 0 0 ( 4 0 0 C T 1 2 0 0 C) 2 2 混凝土的力学性能 2 2 1 高温下立方体抗压强度 文献【 4 】 采用 自制的高温下混凝土力学性能试 验设 备 ， 开展 了混凝土高温下抗压强度试验 ， 根据 高温下混凝土立方体抗 压强度 与常温下混凝土 立方体抗 压强度 的比值 随温度 的变化情 况 ， 文献【 4 】 得 出高温下混凝土立方体抗压强度随温 度变化的计算公式 ， 即： 厶 一 - ( ) 按此公式计算 ，混凝土 的高温强度在 T 3 0 0 C 后与试验规律相符较好 ， 且应 用范围不受限( 卜) ， 故此式可适用于混凝土结构 的抗火分析。 2 2 2 高温下抗拉强度 高温下混凝土的抗拉强度 随试验温度 的升 高而单调下降 ， 高温下混凝 土相对抗拉强度 f , ) 的变化范围列于表 1 。 表 1 高温下混凝土的抗拉强度 1 00 3 0 o 5 0 0 7 0 0 9 0 0 0 7 8 0 9 0 0 6 6 一 O 8 8 0 5 2 - 0 6 0 0 2 4 - 0 - 3 2 由表 1 可将高温下混凝土 的抗拉强度 近似地 拟合直线式方程计算公式 ， 即 ： r 一 1 t 1 0 0 0 2 2 3 高温下混凝土应力一 应变曲线方程 高温下混凝土受压应力一 应变全 曲线峰值点 的 一 62一 纵横坐标 ， 即为高温下棱柱体抗压强度 ) 和相应 的高温下峰值应变( ) 。文献【 4 给出了高温下混凝 土棱柱体抗压强度随温度变化的计算公式 ， 即： 一 1 m( ) 高温下混凝土受压峰值应变 随温度的提高 而加速增长 ，其与常温峰值应变 的比值 B p e 随 温度的变化关系一般采用文献【 4 给出的计算公式 计算 ， 即： 5 ( ) 2 2 4 高温下混凝 土的变形 ( 1 ) 自由升降温变形 混凝土在 自由状态下升温或 降温过程 中， 其长 度将相应地伸长或缩短 ， 体积将膨胀或缩小 。高温 下混凝土 自由膨胀变形 m随温度 ( T o C) 的变化关 系可采用文献 4 】 给出的简化 回归公式计算 ： ， r 、 2 s - 2 8 【 ) x l 0 1 2 x 1 0 混凝土的平均线膨胀系数 ，按其定义取为 ， ( T - 2 0 ) 。文献 4 给出了高温下混凝土的平均膨胀系 数近似计算公式 ： _ = 等= 2 8 ( ) 1 0 ( 2 ) 短期高温徐变 混凝土在应力作用下 ，除了产生即时应变外 ， 还在应力的持续 作用下产生 随时间不断地增大应 变 ， 后者即为徐变 。 混凝土的短期徐变随温度一 应力持续时间 t 的 变化， 约与、 。 成正比 关系。 其中t 。 为确定短期高 温徐变参数所取的持续时间。文献 4 】 给出混凝土短 期高温徐变的计算公式 ， 即： ( 1 ) = ( 一 - ) 6 0 。 f c ) ( 3 ) 瞬态热应变 在升降温过程 中， 自由试件 ( t r = 0 ) 的温度( 膨胀) 变形 为 对恒载升温试件施加先期应力产生的即 时应变为 占 ( o o ) ， 升温后 的应变为 ( O I 6 ) 曲线 ， 平移后得到 o b曲线 ) 。应力 ( ) 的作用使混凝土的 温度应变相差悬殊 ， 其值称为瞬态热应变闭 ， 文献 4 给出了瞬态应变计算公式 ： 占 ( T ， o - f ) = ( T ) 一 ( T ， ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑海波 钢筋混凝 土结构高温抗火性能研究 升降温过程 中混凝 土瞬态热应变 的一般 规律 为：在首次升温过程 中，它随温度的升高而加速增 长 ， 其值约与应力水平( , r Z) 成正比； 在降温过程中 其值变化很小 ， 约保持最高温度时的最大瞬态热应 变 。故瞬态热应变在升温时产生 ， 在降温时不可恢 复 。 3 钢筋高温下的热工与力学性能 3 1 钢( 筋) 的热工性能 预应力混凝土结构 中， 预应力钢筋 ( 丝) 散布在 混凝土内 ， 且用量有限 ， 占总体积的百分数很小 ( 3 ) 。高温下钢筋 的存在对混凝土构件 内部 的温度 分布影响很小 。在构件温度场分析时 ， 常忽略钢筋 的影 响 ， 看作匀质 的混凝土材料 ， 即可满足计算精 度的要求 。 钢材的导热系数( A ) 随温度 的升高而降低 。而 其质量 比容对温度的敏感度很高 ， 一般 随温度的升 高 ， 其质量比热一般有所增加 ， 其质量密度 ( ) 也因 所含合金元素成分 的种类和数量而有所变化 ， 随着 温度的升高， 其质量密度有所降低 。 本文给出了钢材 热工参数的一般变化范围 ， 见 表 2 。 表 2 钢材热工参数 的一般取值范 围 3 2 高温下钢筋的力学性能 3 2 1 高温下钢筋的强度 ( 1 ) 极限抗拉强度 文献【 5 】 采用 自制的高温下钢筋力学性能试验 设备 ， 开展 了 I V级钢筋高温下抗拉强度试验。 文献【 5 】 回归得 出 I V级钢筋高温下极 限抗拉 强度 的计算式 ， 即 ： I I V 级钢 r 一 ( ) V级 钢 t： 6 ( ) ( 2 ) 屈服强度 文献 4 回归得 出 I - V级钢筋高温下屈服强度 的计算式 ， 即： I I V级钢 ： 4 ( ) V级钢 1 了 + 4 6 ( ) 3 2 2 高温下钢筋应力一 应变曲线方程 高温下 ( 2 0 0 ) 钢筋 的应力一 应 变曲线方程 可分为屈服前 的“ 弹性段” 和屈服后的“ 强化段” ， 文 献 5 给出了两部分的计算式分别为 ： ， r 时 ： O - = 占 8 y 占 占 后 ，附加一塑性变形水平线 ，即 T7 0 0 C 时 ， 取 = 常值 ； 或 当 T 钢筋直径 混凝土保护层厚度 锚固长度 ，即混 凝土抗压强度对其粘结力的影响最显著，其关联度 达到 0 8 7 5 8 ，而锚固长度对混凝土的粘结力影响最 弱， 只有0 5 7 3 。这说明高温对钢筋混凝土粘结性能 的影响很大一部分原因是 由于高温作用混凝土抗压 强度降低 。 表 7 各 因素的影响排序 5结语 研究钢筋混凝土结构的抗火性能对我国建筑业 的发展有重要意义。本文通过对钢筋混凝土构件的 热工性能 、力学性能以及高温粘结性能进行 了归纳 分析 ， 给出了普通钢筋混凝土 、 预应力钢筋及混凝土 等结构材料抗高温性能规律 ，并运用灰色系统理论 嗍 对影 响钢筋混凝土构件滑移粘结性能各因素进行 了分析 ，希望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提供借鉴f9 。 参考文献 ： 1 B S E N 1 9 9 2 1 2 ， E u r o c o d e 2 ， d e s i g n o f e o n e r e t e s t r u c t u r e ， P a r t l - 2 ， g e n e r a l r u l e s - s t r u c t u r e fi r e D e s i g n 【 S 】 L o n d o n ： B r i t i s h S t a n d a r d s I n s t i t u t i o n ， 2 0 0 4 2 陆洲 导 钢筋混凝 土梁对火灾反应 的分析【 D 上 海： 同济 大 学工程结构研究所， 1 9 8 9 3 李卫 ， 过镇 海 高温 中混凝土 的强度 和变形 性能试 验研究 J 建筑结构学报， 1 9 9 3 ， 1 4 ( 1 ) ： 8 - 1 6 4 过 镇海 ， 时旭东 钢 筋混 凝 土 的高温 性能 及其计 算 M】 北 京： 清华大学 出版社， 2 0 0 3 5 华毅夫预应力混凝土结构火灾反应及 抗火性能研究【 D 】 上海 ： 同济大学建筑工程系， 2 0 0 0 【 6 】 周新 刚， 吴 江龙 高温 后混凝 土凝土 与钢筋 粘结性 能的试 验研 究 J 工业建筑， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 3 7 - 4 0 7 谢狱 敏 ， 钱 在慈 高温作用后 混凝土抗 拉强度 与粘 结强度 的试 验研究 J 浙江 大学学报， 1 9 9 8 ， 3 2 ( 5 ) ： 5 9 7 - 6 0 2 8 傅 立 灰色 系统理论 及其应用【 M 】 北京： 科学技术 文献 出版 社 1 9 9 2 【 9 】 彦克， 郑盛娥 混凝 土结构火 灾损伤评估 J 四川 I 建 筑科学 研究， 1 9 9 1 ( 4 ) ： 2 2 - 2 6 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 1 - 2 6 作者简介 ： 郑 海波 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 工 程师。 通讯地址 ： 桂林市七星 区桂 磨大道桂林 国家 高新区创意 产业园 3号楼 4 0 6 ( 桂林市 8 2号信箱) 联 系电话 ： 1 3 9 7 7 3 8 4 4 1 9 E - - ma i l ： j i a n k a n g 2 0 0 9 2 0 5 0 1 6 3 c o m 一 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m