如何提高建筑构件的耐火极限.doc

如何提高建筑构件的耐火极限
一、问题的提出：
1、建筑构件耐火极限大小的是建筑物抗御火灾的能力的表现。提高建筑构件的耐火极限对于提高建筑抗御火灾的能力，降低建筑在火灾后的修复难度，争加消防队员在火灾扑救中的安全性具有十分重要的意义。
2、耐火极限的定义：对任一建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火实验，从受到火的作用时起，到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间。
3、建筑物的耐火能力取决于建筑构件中梁、楼板的耐火极限。而梁、楼板的耐火极限主要是梁、楼板在火灾中的失去支持能力的时间长短。
4、支持能力：非承重构件失去支持能力的表现是自身解体或跨塌；梁、楼板等受弯承重构件，挠曲速率发生突变，是失去支持能力的象征，当简支钢筋混凝土梁、楼板和预应力钢筋混凝土楼板跨中总挠度值分别达到实件计算长度的五十分之一、三十分之一和十分之一，表明实件失去支持能力。
二、对相关建筑材料和构件耐火性能的分析：
1、钢筋在高温下的性能分析：高温下钢筋软化及内部金相结构发生变化，钢筋的强度随着受火场温度的升高而降低。经火灾实验结果表明：钢筋在高温作用下其屈服强度都会下降，其中Ⅰ级和Ⅱ级热轧钢筋下降幅度最小，而冷拔低碳钢丝下降幅度最大。对于热轧钢筋600℃时钢筋的屈服强度只有原来的50%；对于预应力钢丝400-500℃时抗拉强度只有原来的50%，高温冷却后强度又有所恢复。热轧钢筋屈服强度下降的原因是：经高温后珠光体中的渗碳体被球化，随着温度的升高球化加速，球化组织的发展导致钢筋强度的下降；另一方面钢筋在高温的作用下表面脱碳而形成脱碳层，导致含碳量下降，随着钢筋内珠光体的减低使强度减低。对于非预应力冷拔低碳钢丝，高温作用后钢丝产生回复和再结晶作用，逐步恢复到冷加工前的状态，从而导致强度的降低：此外，同样也在渗碳的球化及表面的脱碳相象，使强度进一步减低。由此可见，钢筋强度的降低与钢筋温度密切相关。圆钢的强度折减比螺纹钢筋的要大一些，喷水冷却下的钢筋强度比未喷水时的折减要大一些。

2、火灾中混凝土抗压强度和弹性摸量的变化：混凝土是一种复合材料，是由骨料和填料所组成。这些材料在受热之后物理力学性能发生变化，导致构件混凝土产生裂纹，使填质料与填料之间的粘结强度降低，从而降低混凝土的抗压强度。再从混凝土内部结构看，常温下水泥内部结构密实，CH多且晶体完整，当温度达到300度℃时，CH开始脱水分解，不仅数量明显减少，而且CH晶型缺损、破碎、裂缝增多，结构变得非常松散，所以随着温度的不断生高而不断加剧，也是降低混凝土强度的主要原因。冷却方式对受火后混凝土强度的影响是相当大的，喷水冷却比自然冷却的混凝土强度损失大。混凝土骨料在受火时强度损失也不同，一般石灰石骨料的混凝土强度损失要比花岗岩骨料的混凝土强度损失要小。火灾后混凝土的弹性摸量降低比混凝土降低强度要大。喷水冷却比自然冷却的弹性模量降低要大。
3、火灾中钢筋与混凝土粘结力的变化；因受钢筋强度和混凝土抗压强度和弹性摸量的变化，火灾中钢筋与混凝土粘结力的变化发生如下规律：1、与火灾温度成正比，火灾温度越高，粘结力降低越大；2、与钢筋类型有关。火灾中圆钢比螺纹钢的损失大；3、与冷却方式有关。喷水冷却损失比自然冷却大；4、石灰石骨料受火后粘结力损失比花岗岩大。
4、混凝土梁板在火灾中的强度变化；混凝土梁板受火灾后，影响其承载力能力的主要因素是混凝土抗压强度和钢筋的抗拉强度的降低而导致梁板构件的承载力的降低。在混凝土梁板构件中，由于遭火灾后混凝土和钢筋的强度的下降，导致构件受压区混凝土局部压碎、受拉钢筋拉断等破坏特征。综上实验结果分析，遭火灾后的梁板构件的强度变化主要体现在如下几个方面：
a、火灾作用后，混凝土梁板结构破坏特征主要呈现在裂纹宽度和挠度上；
b、梁板构件破坏荷载的大小与受压区混凝土强度和主筋抗拉强度的降低大小有关；
c、火灾温度和主筋保护层厚度直接影响结构的承载能力；
d、在相同火灾温度作用下，自然冷却的构件的承载力要比喷水冷却的大10%。
5、混凝土梁板在火灾中的刚度变化：火灾试验结果表明，加载的混凝土梁与不加载的梁在相同火灾温度作用下，挠度增加50%；采用Ⅰ级钢筋配筋的混凝土梁，在加载和不加载情况及相同温度下，挠度变化不大。由于高温引起构件内混凝土和钢筋的热膨胀及高温徐变，所以产生的应变对弯矩-曲率是随着温度场的变化而变化。火灾温度越高弯矩-曲率越大及刚度变化越大。由于钢筋和混凝土的高温热膨胀和徐变的差异，也导致构件产生竖向和横向裂纹。由于水泥沙浆和骨料之间热效应不尽相同，也会导致构件表面龟裂，这些变化都会降低刚度。构件施加应力后升温，混凝土内固相和气相的热膨胀，水泥生成物的脱水和石英成分晶体膨胀，都因压应力的存在而使应力下的温度变形大小自由构件的温度变形，荷载越大即压应力值越大，对构件温度变形越大。所以，未加载的构件和加载的构件的温度变形差值，大体与加载值成正比，但对于配Ⅰ级钢筋的构件刚度变化不明显。当火灾温度为986℃时，加载的混凝土梁的跨中挠度与冷却后梁做荷载实验，当荷载加到设计荷载时，其跨中挠度两者相比，后者超过前者11倍，在857℃的温度作用下，加载的板与不加载的板挠度要大15倍。当火场温度超过1000℃时，受弯构件有可能发生因挠度超过L/50而导致建筑物倒塌。
三、解决对策：
1、施工中尽量采用高标号的水泥、和花岗岩骨料，尤其对于设计荷载较大的梁、楼板应采用高标号的水泥和花岗岩骨料。
2、对于梁采用Ⅰ级钢筋配筋，将主筋设置在构件中心部位，对于设计荷载较大的构件应相应增加配筋及钢筋的保护层厚度。对于梁保护层厚度不应小于4.0cm，对于楼板保护层厚度不应小于3.0cm。施工过程中尤其应防止有外露钢筋。
3、在对梁、楼板进行结构设计时应适当增加设计荷载，同时还应考虑火灾扑救时楼板增加的消防扑救用水的荷载，以提高火灾时梁、楼板对压应力的承载能力。尽量避免采用预应力构件，如非采用不可的也必须采取防火措施确保耐火极限符合规范要求。对于采用装配式钢筋混凝土构件应对接点缝隙等薄弱部位进行防火保护。
4、消防队员在进行火灾扑救中应注意避免对梁、楼板直接喷水冷却，加强对火场局部温度较高部位和建筑主要梁、楼板周围的扑救，防止局部温升过高加重对建筑构件的破坏。同时应注意节约用水，防止因楼板上大量水积聚，增加楼板荷载。

5、对建筑物合理设计消防排水，降低火灾扑救时消防用水对梁、楼板造成荷载增加。如利用建筑内排水设施、楼梯间等部位。