盧 楊楊 增

1中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系（221000）2中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院后勤指揮系（221000）

混凝土自誕生以來,由于其具有良好的塑性、較高的后期強(qiáng)度、造價(jià)低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用建筑、國防軍事防護(hù)等工程?；炷帘旧硎遣豢扇夹圆牧?，但其在高溫環(huán)境中發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致其性能劣化而最終影響工程結(jié)構(gòu)的安全。國內(nèi)外針對(duì)經(jīng)過高溫作用后的混凝土在微觀組成上的改變、宏觀力學(xué)性能的變化以及如何改善混凝土的高溫力學(xué)性能等方面做了大量研究工作[1]?，F(xiàn)將對(duì)近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下主要性能研究進(jìn)行歸納綜述。

1 國外研究現(xiàn)狀

國外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能的研究較早,美國中央標(biāo)準(zhǔn)局在1925年即對(duì)混凝土柱進(jìn)行了高溫試驗(yàn)。20世紀(jì)50年代開始重視結(jié)構(gòu)的抗火性能，并開始了大量研究工作[2]，如波特蘭水泥協(xié)會(huì)、美國混凝土協(xié)會(huì)、美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)、歐洲國際混凝土協(xié)會(huì)、德國的Braunschweig工業(yè)大學(xué)、英國的BRE(Building Research Establishment)以及加拿大的國家研究院等都成立了抗火研究小組，主要研究高溫下混凝土材性、板、梁、柱的抗火性能和計(jì)算方法。

1991年，Lie在自己多年試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析計(jì)算鋼筋混凝土柱的耐火極限，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。通過差分法計(jì)算高溫后柱截面溫度場，根據(jù)初等梁理論，不斷改變柱中間截面的軸向荷載及曲率來計(jì)算根據(jù)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，再由二者的本構(gòu)關(guān)系計(jì)算柱截面的軸力及彎矩，從而求出火災(zāi)后柱的極限荷載。1999年比利時(shí)科學(xué)家Dotreppe、Franssen利用SAFIR分析影響受火鋼筋混凝土柱的因素,如保護(hù)層厚度、配筋率、截面尺寸、荷載比等，并回歸出數(shù)學(xué)公式，得出的結(jié)果與試驗(yàn)非常吻合。2003年新加坡南洋科技大學(xué)Tan與Ya也應(yīng)用SAFIR著火的時(shí)間對(duì)柱子剛度的影響，得出了著火的時(shí)間對(duì)柱子剛度影響的一般規(guī)律并回歸出簡單的數(shù)學(xué)公式[3]。另外如美國、日本、英國、歐洲等一些國家對(duì)抗火研究做了大量的試驗(yàn)及理論研究。對(duì)普通的鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼結(jié)構(gòu)的柱、梁、框架、板等建筑結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)做了很多試驗(yàn)，并且做了關(guān)于整棟樓房耐火試驗(yàn)。隨后，美國、日本、法國、加拿大、英國等國家先后制定了建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范[4]。

上述分析表明，國外大多數(shù)學(xué)者都是通過試驗(yàn)來對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行耐火極限及其力學(xué)行為分析，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行編程數(shù)值模擬分析鋼筋混凝土柱高溫后的力學(xué)性能,數(shù)值模擬分析與試驗(yàn)吻合，得出一定的規(guī)律再回歸出數(shù)學(xué)計(jì)算公式，就可以把它作為分析鋼筋混凝土柱的耐火方法或標(biāo)準(zhǔn)。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究起步較晚，相關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的試驗(yàn)研究落后于國外，但近十幾年來這方面研究發(fā)展較快。冶金部建筑科學(xué)研究院在20世紀(jì)60年代進(jìn)行過混凝土高溫強(qiáng)度的試驗(yàn)研究；公安部天津消防科研所最早建成了大型的構(gòu)件耐火試驗(yàn)裝置，主要用于建筑產(chǎn)品的檢驗(yàn)和建筑構(gòu)件的耐火極限試驗(yàn)研究；中國建筑科學(xué)研究院和上海遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心也引進(jìn)了大型的構(gòu)件抗火試驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火試驗(yàn)；從20世紀(jì)80年代起，同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等高校先后就高溫下混凝土力學(xué)性能[5]、鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度分布[6]、鋼筋混凝土構(gòu)件[7]及結(jié)構(gòu)的抗火性能等方面開展了試驗(yàn)和理論研究。

清華大學(xué)過鎮(zhèn)海、時(shí)旭東等對(duì)建筑結(jié)構(gòu)高溫下及高溫后構(gòu)件性能進(jìn)行了多項(xiàng)研究，主要內(nèi)容為∶鋼筋與混凝土的高溫變形、高溫強(qiáng)度，不同溫度、應(yīng)力下混凝土的強(qiáng)度與變形，溫度、應(yīng)力、時(shí)間耦合作用下鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系以及力學(xué)性能，材料的熱工性能參數(shù)，熱傳導(dǎo)理論，火災(zāi)—溫度—時(shí)間曲線，溫度場理論分析方法[8]。經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高混凝土保護(hù)層的厚度可以提高構(gòu)件強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)變形[9]。不同受火面對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能影響很大，比較了兩面受火與三面受火對(duì)鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件性能的影響[10]。做了關(guān)于鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件不同升溫、加載途徑下受力性能試驗(yàn)，考察了先加載后升溫與先升溫后加載對(duì)構(gòu)件抗火性能的區(qū)別，并得出了一定的規(guī)律[11]。研究了不同溫度工況下均勻受火與不均勻受火對(duì)軸心受壓柱和偏心受壓柱強(qiáng)度、變形等力學(xué)性能的影響。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)做了關(guān)于火災(zāi)從發(fā)生、傳播、熄滅整個(gè)過程的模擬分析，并研究了火災(zāi)熱量、火場氣流、火災(zāi)溫度的空間分布規(guī)律。華南理工大學(xué)吳波等人做了關(guān)于高溫下與高溫后鋼筋與普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究，火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估方法，火災(zāi)受損后結(jié)構(gòu)抗震性能，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得出了一定規(guī)律，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。哈爾濱工程大學(xué)王振清、蘇娟[13]等人做了關(guān)于高溫下鋼筋混凝土梁，鋼筋混凝土柱極限承載力、耐火極限的試驗(yàn)研究及理論分析，給出了結(jié)構(gòu)高溫下計(jì)算的簡化方法及計(jì)算公式，同時(shí)分析了不同參數(shù)對(duì)高溫構(gòu)件承載力、耐火極限的影響。長安大學(xué)張崗、賀拴海、宋一凡等人做了關(guān)于鋼筋混凝土梁橋火災(zāi)高溫時(shí)變效應(yīng)研究、高溫場形變分析、火災(zāi)高溫安全評(píng)價(jià)以及高溫下鋼筋混凝土梁橋非線性分析。提出了火災(zāi)高溫下結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析的思路，如何數(shù)值模擬鋼筋混凝土梁截面溫度場的分布，通過考慮火災(zāi)高溫下鋼筋和混凝土強(qiáng)度及剛度的折減系數(shù)，推導(dǎo)出了有效力矩法及力矩時(shí)效系數(shù)計(jì)算方法。

3 鋼筋混凝土高溫下主要性能研究現(xiàn)狀

3.1 混凝土熱工參數(shù)

鋼筋混凝土材料的熱工參數(shù)是開展構(gòu)件內(nèi)部溫度場分析的基本參數(shù)，國外對(duì)鋼筋和混凝土的高溫?zé)峁ば阅苓M(jìn)行了大量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到了這些熱工參數(shù)的一般值和變化規(guī)律，其中較有影響的是Harmathy和Harada等人在混凝土的熱工性能方面的研究成果。國內(nèi)的過鎮(zhèn)海、時(shí)旭東、陸洲導(dǎo)、朱伯龍等人對(duì)鋼筋和混凝土的熱工參數(shù)均有不同程度的研究。由于試驗(yàn)方法以及材料本身的離散性，不同學(xué)者給出的函數(shù)表達(dá)式的總體規(guī)律及趨勢(shì)大致相同，但具體數(shù)值差異較大，由于熱工參數(shù)的取值直接影響到構(gòu)件內(nèi)部溫度場的分析，又關(guān)系到后續(xù)結(jié)構(gòu)分析，因此有必要加強(qiáng)這方面的研究工作。

3.2 混凝土溫度場研究

研究溫度場是研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和承載力有很大的影響，而結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)、變形和細(xì)微裂縫對(duì)溫度場影響較小。因此，溫度場分析可以先于結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析，同時(shí)可以獨(dú)立于結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析。

發(fā)生建筑火災(zāi)時(shí)，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對(duì)流以及熱傳導(dǎo)等方式傳遞給建筑構(gòu)件表面,再通過熱傳導(dǎo)向構(gòu)件內(nèi)部傳遞。由于混凝土是一種熱惰性材料,而且熱邊界條件隨時(shí)間不斷變化,因此構(gòu)件內(nèi)溫度場是一個(gè)隨時(shí)間變化的非線性溫度場。差分法是一種常用的數(shù)值計(jì)算方法，采用差分法對(duì)構(gòu)件內(nèi)溫度場進(jìn)行了分析,獲得了較高的精度，差分法的不足是要求求解區(qū)域比較規(guī)則，因此適用范圍有限。有限單元法對(duì)于不規(guī)則區(qū)域的求解比較方便，因此通常在空間域上采用有限單元法，在時(shí)間域上采用有限差分法，充分利用兩者優(yōu)點(diǎn)來計(jì)算溫度場的變化。

[1]呂天啟,趙國藩,林志伸.高溫后靜置混凝土的微觀分析[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(2):135～141.

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