嚴(yán)建榮　（安徽送變電工程公司，安徽　合肥　230000）

火災(zāi)后鋼筋材料性能損失統(tǒng)計研究

嚴(yán)建榮（安徽送變電工程公司，安徽合肥230000）

研究火災(zāi)后鋼筋力學(xué)性能的變化，對火災(zāi)后鋼筋的抗拉強(qiáng)度、彈性模量的研究成果進(jìn)行總結(jié)和統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明，隨著溫度的上升，鋼筋材料的抗拉強(qiáng)度隨溫度的上升而逐漸衰減，采用不同的冷卻方式對高溫后鋼筋的抗拉強(qiáng)度的衰減有明顯的影響；同時，鋼筋的彈性模量也隨溫度的升高而不斷的衰減，但冷卻方式的變化對其影響較小。

火災(zāi)；鋼筋；抗拉強(qiáng)度；彈性模量；統(tǒng)計分析；擬合分析

1　概述

近年來隨著建筑物高層化、規(guī)?；?、功能用途復(fù)雜化及密集化程度加劇，火災(zāi)的發(fā)生因素也隨之增加，規(guī)模日益擴(kuò)大。建筑防火作為建筑防火的一個分支，已經(jīng)引起社會的關(guān)注。現(xiàn)在火災(zāi)時有發(fā)生，造成了巨大的人員死傷與財產(chǎn)損失，也留下了許多過火后的建筑物，鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差，火災(zāi)中的鋼結(jié)構(gòu)坍塌較多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于其耐火性能較好，災(zāi)后多數(shù)都能通過加固處理后繼續(xù)使用。

對災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要著力于結(jié)構(gòu)材料的損傷程度的確定，主要包括構(gòu)件溫度場分布情況、鋼筋和混凝土的強(qiáng)度衰減狀況。尤其高強(qiáng)度材料在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)該引起注意。對于材料過火后的材性損失的分析與確定，為后續(xù)的過火后結(jié)構(gòu)加固與重建工作提供可參考的依據(jù)。

2　普通鋼筋高溫后特性

鋼筋的抗拉強(qiáng)度是鋼筋性能的重要性能參數(shù)，尤其在受過高溫后，鋼筋材料的強(qiáng)度衰減狀況，更是災(zāi)后受火結(jié)構(gòu)檢測、鑒定的重中之重，為后期的結(jié)構(gòu)加固或拆除提供依據(jù)。影響高溫后鋼筋抗拉強(qiáng)度的因素主要有：材料種類、鋼筋常溫強(qiáng)度、高溫后冷卻方式、最不利溫度以及受最不利溫度作用時間。正是由于影響因素的不確定性和難以定量化增加了對過火后鋼筋強(qiáng)度衰減的研究難度。

鋼筋的彈性模量是鋼筋另一個重要性能參數(shù)，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，對于判斷構(gòu)件受火災(zāi)影響后的延性變化和承載力的降低有著重要的意義。鋼筋的抗拉強(qiáng)度和彈性模量受高溫后的折減情況分別見圖1和圖2。

圖1　高溫后普通鋼筋材料抗拉強(qiáng)度折減對比曲線

圖1是高溫后鋼筋材料抗拉強(qiáng)度折減對比曲線，觀察曲線可知：

①圖中曲線分布較為明顯分為兩個部分：一部分位于上方區(qū)域，強(qiáng)度折減系數(shù)衰減速率較慢［1-2］；第二部分則是分布在下方區(qū)域［3］，強(qiáng)度衰減速率明顯較快。經(jīng)對比文獻(xiàn)試驗方法得知這是由于試驗中對高溫鋼筋的冷卻方式不同引起的，爐內(nèi)冷卻和自然冷卻狀態(tài)下，鋼筋的強(qiáng)度折減較??；而噴水冷卻強(qiáng)度折減很大，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時，殘余強(qiáng)度僅相當(dāng)于常溫下的10%左右，承載力損失嚴(yán)重。

②文獻(xiàn)［1］中對不同冷卻方式對鋼筋的強(qiáng)度產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，指出溫度在700℃以上的空冷相當(dāng)于正火過程，材料中出現(xiàn)索氏體，使強(qiáng)度稍微提高；溫度在700℃以上的水冷相當(dāng)于一個淬火過程，材料中會出現(xiàn)馬氏體，強(qiáng)度會有大幅度的提高（1.93倍），但是鋼筋脆性會變得明顯。

③圖中曲線的差異較大，但是整體反映出鋼筋在高溫作用后的強(qiáng)度折減逐漸衰減的變化過程。

圖2　高溫后鋼筋材料彈性模量折減對比曲線

圖2中給出了目前過火后鋼筋彈性模量折減對比曲線，鋼筋的彈性模量隨溫度的上升逐漸衰減，文獻(xiàn)［1］中材料的彈性模量衰減緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時，衰減為常溫下材料抗拉強(qiáng)度的80%左右，衰減不明顯；文獻(xiàn)［6］中鋼筋材料的彈性模量的衰減較文獻(xiàn)［1］的衰減明顯，且在溫度達(dá)到600℃左右時，材料的彈性模量呈現(xiàn)急劇下降的趨勢；至溫度達(dá)到800℃時，衰減為常溫下材料抗拉強(qiáng)度的40%左右，衰減明顯。

3　過火后普通鋼筋材料材性變化趨勢擬合

過火后鋼筋的抗拉強(qiáng)度、彈性模量折減擬合曲線是建立在對現(xiàn)有的相關(guān)方面試驗數(shù)據(jù)的分類整理基礎(chǔ)上。數(shù)據(jù)資料均來源于各大高校專業(yè)研究文獻(xiàn)，經(jīng)過擬合后得出可信度95%以上的擬合計算公式。

3.1過火后普通鋼筋抗拉強(qiáng)度衰減

對過火后鋼筋抗拉強(qiáng)度衰減，將收集的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和分類，將實驗數(shù)據(jù)繪制于圖3中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到可信度90%的數(shù)據(jù)擬合公式。且易于應(yīng)用在工程實踐中應(yīng)用。

圖3　普通鋼筋抗拉強(qiáng)度折減數(shù)據(jù)匯總及對比擬合曲線

圖3中的數(shù)據(jù)是將收集到的相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)提取工具提取出實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成excel表格后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后得到的試驗數(shù)據(jù)散點圖。

由圖4可以看出，在大量的數(shù)據(jù)擬合后得到過火后普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度衰減趨勢趨于平緩，無明顯的材性質(zhì)變點。

基于上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出過火后鋼筋抗拉強(qiáng)度變化擬合公式如下。

鋼筋抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)計算公式：

普通鋼筋抗拉強(qiáng)度折減計算公式：

式中：Ks——鋼筋抗拉強(qiáng)度折減系數(shù)

fy，t——鋼筋在高溫冷卻后的抗拉強(qiáng)度

fy——鋼筋常溫下抗拉強(qiáng)度

T——鋼筋受火最高溫度

3.2過火后普通鋼筋彈性模量衰減

圖4是過火后普通鋼筋材料彈性模量衰減數(shù)據(jù)收集與擬合曲線。

圖4　普通鋼筋彈性模量折減數(shù)據(jù)匯總及擬合曲線（文獻(xiàn)1-6）

由圖4中擬合曲線可以看出：普通鋼筋彈性模量隨溫度衰減狀況基本與前述的文獻(xiàn)內(nèi)容吻合，也說明了普通鋼筋材料彈性模量變化是具有普遍性的。

基于上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出過火后鋼筋材料彈性模量變化擬合公式如下。

普通鋼筋彈性模量折減系數(shù)計算公式：

普通鋼筋彈性模量折減計算公式：

式中：KE——鋼筋彈性模量折減系數(shù)

Eto——鋼筋在高溫冷卻后的彈性模量

Et——鋼筋常溫下彈性模量

T——鋼筋受火最高溫度

4　結(jié)論

火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料性能在一定程度上均會產(chǎn)生不同程度的降低，這些材性的折損主要受到最不利溫度、材料自身強(qiáng)度以及冷卻方式的影響。

①過火溫度的升高使得鋼筋材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量產(chǎn)生不同程度的衰減。

②不同的冷卻方式對高溫后鋼筋的抗拉強(qiáng)度衰減影響較大，噴水冷卻會導(dǎo)致鋼筋抗拉強(qiáng)度下降明顯。

③普通鋼筋的彈性模量衰減較為穩(wěn)定平緩，沒有起伏。

本文給出了過火后普通鋼筋材料的抗拉強(qiáng)度及彈性模量折算公式，希望對火災(zāi)后相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)的鑒定與加固提供一定的借鑒及依據(jù)。

［1］沈蓉，等.高溫（火災(zāi)）后鋼筋力學(xué)性能的評估［J］.四川建筑科學(xué)研究，1991（2）.

［2］徐澤晶.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料特性、壽命預(yù)估和加固研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2006.

［3］王孔藩，許清風(fēng)，劉挺林.高溫下及高溫冷卻后鋼筋力學(xué)性能的試驗研究［J］.施工技術(shù)，2005（8）.

［4］吳紅翠，等.HRBF500鋼筋高溫后力學(xué)性能試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2009（11）.

［5］邱毅，王全鳳.500MPa細(xì)晶粒鋼筋混凝土梁受火后力學(xué)性能試驗研究［D］.廈門：華僑大學(xué)，2010.

［6］余志武，王中強(qiáng)，史召鋒.高溫后新Ⅲ級鋼筋力學(xué)性能的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005（2）.

TU502

A

1007-7359（2016）04-0276-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.110

嚴(yán)建榮（1964-），男，安徽合肥人，畢業(yè)于解放軍電子工程學(xué)院，助理工程師，國家注冊二級建造師。