趙 鶴

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)環(huán)境下的性能探討

趙 鶴

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是在建筑中被廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的表現(xiàn)行為將對(duì)我們提升建筑的安全性能具有著及其重要的意義。由于其建筑構(gòu)件在火災(zāi)作用下會(huì)發(fā)生高溫變形，影響其承載力和安全性。故本文將對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)環(huán)境下的行為進(jìn)行總結(jié)分析，并指出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在承載力和安全性方面受到的影響，希望能給廣大學(xué)者進(jìn)一步提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能提供一些幫助。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；火災(zāi)；承載力；安全性；耐火性能

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，建筑物在城市建設(shè)中呈現(xiàn)出了高密集的趨勢(shì)，逐漸增大了火災(zāi)發(fā)生的概率，建筑損失日益嚴(yán)重，其危害也越發(fā)的引起人們的重視，建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能已經(jīng)成為了廣大研究學(xué)者的重要課題。鋼筋混凝吐結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)中的代表結(jié)構(gòu)，對(duì)其在火災(zāi)環(huán)境下的性能探討具有代表意義。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始國際上便開始重視對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究。在波蘭的水泥協(xié)會(huì)和在美國的混凝土協(xié)會(huì)、預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)，以及在歐洲的國際混凝土協(xié)會(huì)先后成立了混凝土研究小組，進(jìn)行抗火性能的研究。其中關(guān)于混凝土的高溫特性、框架的火災(zāi)行為、梁柱板的抗火性能和計(jì)算方法均取得了重大進(jìn)展。

在國內(nèi)來說，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究進(jìn)展較晚。清華大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)在這方面屬于先驅(qū)者，但也僅僅是在20世紀(jì)80年代開始了研究工作，研究方向主要集中在混凝土的材料特性，構(gòu)件特性。目前來說，我國對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能的研究已經(jīng)取得了一定的突破。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中所處的環(huán)境分析及其行為分析

2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中所處的環(huán)境

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中所處的環(huán)境可以大致用火災(zāi)開始，發(fā)展和結(jié)束的時(shí)候，其溫度和范圍對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響來說明。當(dāng)大型建筑發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，一般情況下，在一開始建筑首先從局部燃燒，溫度并不高，對(duì)于整體建筑結(jié)構(gòu)的影響也較小，不易對(duì)建筑產(chǎn)生破壞。但是在進(jìn)行一段時(shí)間后，火災(zāi)的范圍會(huì)逐漸覆蓋到整個(gè)建筑，高溫火焰將直接對(duì)于建筑表面和內(nèi)里結(jié)構(gòu)造成破壞。大概要承受1500攝氏度左右的灼燒，對(duì)于建筑物的整體影響較大。在火災(zāi)逐漸熄滅的時(shí)候，雖然溫度在逐步降低，但由于內(nèi)外受力不均勻，不可否認(rèn)對(duì)于建筑的整體結(jié)構(gòu)仍有形成較大影響。

2.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的行為與多方面的因素有關(guān)，但研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件和整體在火災(zāi)高溫的作用下會(huì)發(fā)生怎樣的物理變化和化學(xué)變化是提高鋼筋混凝土建筑耐火性能的關(guān)鍵因素。在火災(zāi)的高溫條件下，鋼筋混凝土表現(xiàn)為熱惰性，其內(nèi)部的各個(gè)部分溫度由于熱傳導(dǎo)的速度并不能完全相同，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)其承載能力產(chǎn)生了改變。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高溫材料性能分析

3.1鋼筋的高溫特性分析

鋼筋在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中主要表現(xiàn)為受力結(jié)構(gòu)的特性。因此，我們?cè)谘芯夸摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的耐火性能時(shí)主要是對(duì)鋼筋在高溫下的力學(xué)特性進(jìn)行分析。鋼筋的材質(zhì)一般采用的是低碳鋼。鋼在高溫下的彈性模量和泊松比鋼材的彈性模量E和泊松比是結(jié)構(gòu)形狀變化的敏感參數(shù)。彈性模樣隨著溫度的升高而逐漸降低，越過臨界點(diǎn)之后，便會(huì)迅速下降，其抗拉性和塑形也隨之降低，鋼材就會(huì)表現(xiàn)出脆性特性。隨著溫度的進(jìn)一步升高，強(qiáng)度會(huì)逐步降低。當(dāng)溫度達(dá)到500攝氏度以上時(shí)，強(qiáng)度基本降低至0.但是由于鋼筋表面的混凝土?xí)?duì)鋼筋起到極大的保護(hù)作用。因此在低于500攝氏度時(shí)，火災(zāi)中的高溫并不會(huì)對(duì)鋼筋的力學(xué)性能產(chǎn)生較大改變。但在600攝氏度左右，就會(huì)導(dǎo)致鋼筋受熱前與受熱后在強(qiáng)度上產(chǎn)生較大的改變。這一點(diǎn)是我們?cè)谠O(shè)計(jì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能時(shí)必須要注意的。

3.2混凝土的高溫特性分析

在通常情況下，混凝土具有較大的抗壓強(qiáng)度。但是在火災(zāi)中的高溫下，會(huì)導(dǎo)致混凝土的分解，進(jìn)而使其力學(xué)和熱學(xué)性能都要發(fā)生不同程度的改變。隨著溫度從200攝氏度到600攝氏度不斷的升高，明顯會(huì)導(dǎo)致水分子、碳酸鈣和鋁酸鈣、氫氧化鈣逐漸按順序脫離，最終導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)失效，建筑強(qiáng)度下降，因此失去混凝土本省該承載的作用，也將不能對(duì)混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)中的鋼筋起到保護(hù)作用，使得建筑產(chǎn)生極大的倒塌危險(xiǎn)。

4 火災(zāi)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響

在上文中已經(jīng)分別提到了鋼筋和混凝土的高溫特性，因此我們將對(duì)于鋼筋混凝土的整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行進(jìn)一步分析。鋼筋和混凝土結(jié)合在一起，有助于兩者把自己的劣勢(shì)彌補(bǔ)，更好的發(fā)揮自身材料所具有的優(yōu)勢(shì)，超過簡(jiǎn)單疊加的效果。通過兩者彼此之間所具有的咬合力，混凝土能多不易承受高溫的鋼筋起到一定的保護(hù)作用。另外，混凝土在高溫下也不易膨脹，避免材料變形，在火災(zāi)中有利于建筑結(jié)構(gòu)。

火災(zāi)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞主要可以分成兩種：一是種直接灼燒造成破壞，第二種是對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。在直接灼燒的情況下會(huì)使得混凝土的表層直接溫度升高，但由于混凝土本身所具有的惰性特性，構(gòu)件內(nèi)部溫度并不高，但也因此在降溫以后，由于內(nèi)外的溫度變化太大，會(huì)對(duì)鋼筋混凝土表面產(chǎn)生較大的龜裂，結(jié)構(gòu)性破壞主要體現(xiàn)在高溫產(chǎn)生了溫度效應(yīng)，使得構(gòu)件變形，破壞了構(gòu)件的整體性，降低了構(gòu)建的承載力。

結(jié)語

在對(duì)于建筑的安全性能要求越來越高的今天，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)里的代表結(jié)構(gòu)類型，關(guān)于它的耐火性能的研究必將是我們的重中之重。通過本文對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)里的鋼筋和混凝土進(jìn)行分別的高溫性質(zhì)分析，以及在火災(zāi)中其本身結(jié)構(gòu)受到的影響，我們總結(jié)出一些趕緊混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的性能特點(diǎn)，希望能從中尋找到進(jìn)一步提高耐火特性的方法。

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趙鶴（1994-），女，滿族，山東青島人，南華大學(xué)，土木工程專業(yè)建筑工程方向本科生。