鋼筋混凝土的高溫性能及其計算

1、鋼筋混凝土的高溫性能及其計算混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下比在常溫下的性能要復(fù)雜得多，理論分析難度大。這是 因為結(jié)構(gòu)在環(huán)境溫度變化的情況下形成了動態(tài)的不均勻溫度場，高溫使材料（混 凝土和鋼筋）的強度和變形性能嚴(yán)重劣化，又使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的內(nèi)（應(yīng)）力重分 布；還因為溫度和荷載（應(yīng)力）有顯著的耦合效應(yīng)，使材料的本構(gòu)關(guān)系和構(gòu)件的 受力性能隨溫度一荷載途徑而有較大變化。為此，需首先通過試驗手段展示混凝 土的材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在溫度與荷載共同作用下的力學(xué)性能,然后進行機理分析， 總結(jié)試驗數(shù)據(jù)，歸納其一般規(guī)律，進一步建立準(zhǔn)確的理論分析方法，并給出簡化 的實用計算方法，供工程實踐中應(yīng)用。一、結(jié)構(gòu)工程中的溫度問題結(jié)構(gòu)工程中因

2、為溫度變化而發(fā)生的工程問題可分為三類：（1）周期性溫度超常。（2）正常工作條件下長期高溫。（3）偶然事故誘發(fā)的短時間高溫沖擊。例如建筑物火災(zāi)的延續(xù)時間從數(shù)十 分鐘至數(shù)小時不等，在1h內(nèi)可達1000C或更高；化學(xué)爆炸或核爆炸、核電站事 故等。對于第三類問題，雖有建筑設(shè)計防火規(guī)范，但并沒有解決結(jié)構(gòu)的抗火分析和 設(shè)計問題。建筑物遭受火災(zāi)后，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫，形成不均勻的溫度場，材料性 能嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不同程度的損傷和承載力下降。作為建筑物的承重和支撐 體系，其結(jié)構(gòu)必須在火災(zāi)的一定時間期限內(nèi)保持足夠的承載能力，以便受災(zāi)人員 安全撤離災(zāi)場，消防人員進行滅火，救護傷亡人員和搶救重要器物等活動。當(dāng)結(jié) 構(gòu)達

3、到下述極限狀態(tài)之一時，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗火失效：（1）承載能力極限；（2）阻 火極限；（3）隔熱極限。人們從以往的火災(zāi)事故中吸取了教訓(xùn)和經(jīng)驗，明確了對付火災(zāi)的策略是“預(yù) 防為上”，但防不勝防，仍須“立足于抗”。為了提高和解決結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的抗 火（高溫）能力，曾經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段：初期，只是采取經(jīng)驗性的構(gòu)造措施， 例如加大鋼筋的保護層厚度，采用耐熱混凝土等；其后，建立大型試驗設(shè)備，對 足尺試件進行高溫加載試驗，直接測定其耐火極限或高溫承載力；現(xiàn)今的趨向是 在試驗研究的基礎(chǔ)上，進行全面的理論分析，包括建立材料的高溫-力學(xué)本構(gòu)模 型，確定火災(zāi)的溫度試件曲線，進行非線性的瞬態(tài)溫度場分析，以及構(gòu)件和結(jié)構(gòu) 的高

4、溫受力全過程分析。由于混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能很復(fù)雜，至今理論分析尚不 完備，有待繼續(xù)充實和改進。二、混凝土結(jié)構(gòu)高溫性能特點根據(jù)現(xiàn)有的試驗和理論研究成果，以及工程實踐經(jīng)驗，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗 高溫性能和常溫下的性能有很大差異，具有如下特點：1、內(nèi)部不均勻溫度場決定構(gòu)件溫度場的主要因素是火災(zāi)的溫度時間過程，以及構(gòu)件的形狀、尺寸 和混凝土材料的熱工性能等；而結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)、變形和細微裂縫等對其溫度場 的影響卻極小。反之，結(jié)構(gòu)的溫度場對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和承載力等產(chǎn)生很大的 影響和變化。所以，對結(jié)構(gòu)的溫度場分析可以獨立于、也必須先于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和 變形分析。2、材料性能的嚴(yán)重惡化高溫下，混凝土和鋼筋強度值惡

5、彈性模量值銳減，變形猛增。混凝土還相繼 出現(xiàn)開裂、酥松和邊角崩裂等外觀損傷現(xiàn)象，且隨溫度的升高漸趨嚴(yán)重。這是混 凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的高溫承載力與耐火極限嚴(yán)重下降的主要原因。3、應(yīng)力-應(yīng)變-溫度-時間的耦合作用效應(yīng)分析一般結(jié)構(gòu)的常溫性能時，只需考慮材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。但是高溫結(jié)構(gòu) 的溫度值和持續(xù)時間對于材料的強度和變形值有很大影響。而不同的升溫-加載 途徑又有各異的材料變形和強度值，構(gòu)成了混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變-溫度-時間 四者的耦合效應(yīng)，必須建立相應(yīng)的耦合高溫-力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，才能準(zhǔn)確地分析結(jié) 構(gòu)的高溫性能。這就大大地增加了構(gòu)件和結(jié)構(gòu)分析的難度及工作量。4、構(gòu)件截面應(yīng)力的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布構(gòu)件截面的不

6、均勻溫度場必產(chǎn)生不等的溫度變形和截面應(yīng)力分布。超靜定結(jié) 構(gòu)的高溫部分必定產(chǎn)生激烈的內(nèi)力重分布;而且，隨著溫度的變化和時間的延續(xù)， 會形成一個連續(xù)的內(nèi)力重分布過程，最終出現(xiàn)與常溫結(jié)構(gòu)不同的破壞機構(gòu)和心 態(tài)，影響了高溫極限承載力。三、材料的高溫力學(xué)性能1、混凝土的高溫力學(xué)性能在高溫作用下，混凝土由于水分蒸發(fā)、骨料和水泥漿體的熱工性能差異和骨 料顆粒的高溫膨脹、破裂等原因，造成材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)性損傷，且隨高溫的持續(xù) 作用，故力學(xué)性能的惡化逐漸加劇?；炷粮黜椓W(xué)性能的惡化，依照嚴(yán)重程度 由輕至重為：立方體抗壓強度、降溫后的抗壓強度、棱柱體抗壓強度、抗拉強度、 粘結(jié)強度、彈性模量。各項性能隨溫度變化規(guī)律

7、也不完全相同，但在一定高溫后 各項性能都接近衰竭，難以再利用。混凝土的高溫變形包括自由升溫變形、高溫時應(yīng)力作用產(chǎn)生的變形和短期高 溫徐變等。超過400C時高溫變形值很大，使混凝土內(nèi)部損傷，并在降溫和卸載 過程中都不能恢復(fù)。混凝土高溫力學(xué)性能的影響因素眾多，變化幅度大，有些方面數(shù)據(jù)不足，有 些方面物理現(xiàn)象的機理不明等，都給建立準(zhǔn)確的耦合本構(gòu)關(guān)系帶來很大困難。2、鋼材的高溫力學(xué)性能在高溫作用下，鋼材內(nèi)部的金屬晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，致使力學(xué)性能發(fā)生相應(yīng) 變化。隨著溫度的升高，鋼材的強度和變形性能逐漸惡化。按照性能質(zhì)變下降幅 度由小到大為：極限抗拉強度、屈服強度和彈性模量。在20C600C之間，鋼 材的極

8、限延伸率也不斷減小。所有鋼種在溫度達800C時，各項力學(xué)性能指標(biāo)都 已經(jīng)很低，只及常溫時的10%左右。在不同的溫度應(yīng)力途徑下，鋼筋的強度和變形性能都發(fā)生了變化，但現(xiàn)有試 驗數(shù)據(jù)和理論分析尚不足以給出定量結(jié)論。三、火災(zāi)的升溫曲線和降溫曲線一次火災(zāi)的典型溫度-時間曲線都經(jīng)歷初始燃燒階段、充分燃燒階段、熄滅 階段。但各階段和全過程的持續(xù)時間及溫度變化曲線的形狀，對于每次火災(zāi)都可 能有很大的差別。隧道內(nèi)火災(zāi)時可能的溫度分布情況主要受以下因素影響：（1） 可燃物的數(shù)量、性質(zhì)及分布；（2）隧道的大小、坡度等；（3）材料的熱工性能。國際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO 834）建議建筑構(gòu)件抗火試驗曲線為：T = T0 +

9、 345lg（81 +1）在隧道火災(zāi)方面，ISO 834升溫曲線僅可以用來描述一次小型的隧道火災(zāi)。 RWS曲線的建立主要用于模擬油罐車在隧道中燃燒的情況。HC可以用來描述隧道 內(nèi)發(fā)生的小型石油火災(zāi)的燃燒特征。HCin用來模擬比較嚴(yán)重的火災(zāi)情況，在HC 曲線的基礎(chǔ)上，乘以放大系數(shù)。其他由實驗得到的隧道內(nèi)火災(zāi)升溫曲線還有 Runehamer曲線、RABT曲線等。但真實的火災(zāi)情況遠比一個升溫曲線描述的情況復(fù)雜的多，實際的溫度-時 間曲線有很大的隨機性。四、構(gòu)件的截面溫度場1、材料的熱工參數(shù)在結(jié)構(gòu)的溫度場分析理論中，建立熱傳導(dǎo)基本方程涉及的材料熱工性能只有 三項，相應(yīng)地有三個基本參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)、質(zhì)量熱

10、容和質(zhì)量密度。其他的熱工參 數(shù)都可以從這三個參數(shù)導(dǎo)出。混凝土內(nèi)原有各種原材料的礦物化學(xué)成分和材質(zhì)結(jié)構(gòu)差異大，原本有著不同 的熱工參數(shù)。組成混凝土后，又因其配合比、含水量、施工工藝等的差別，其熱 工變異性大，已有的試驗數(shù)據(jù)具有較大的離散度。對于一些重大工程，需要有準(zhǔn) 確的熱工參數(shù)分析時，應(yīng)制作試件通過專門的試驗加以測定。對于一般的工程結(jié) 構(gòu)，可采用有關(guān)規(guī)程提供、適合應(yīng)用的簡化值。在一般普通混凝土中，鋼筋分布在混凝土內(nèi)，用量有限，鋼筋的存在對混凝 土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布影響很小。在分析結(jié)構(gòu)溫度時，忽略其中的鋼筋，看做均 質(zhì)的混凝土材料，可以滿足計算精度的要求。2、熱傳導(dǎo)基本方程根據(jù)能量守恒原理，可建立瞬態(tài)傳熱的基本微分方程:dT18 L 8T ) 818x 8x J 8y+*8!8I 8z+ %cp（2-1）式中：通常情況下，對結(jié)構(gòu)高溫分析時不考慮混凝土本身的發(fā)熱，可取qd=0。對工程中最常見的梁、柱等構(gòu)件，一般假設(shè)沿構(gòu)件軸線的溫度相同，可簡化 為沿截面的二維溫度場。8T _ 1 r 88T） 8 L 8T 丫I X I + 人