谈高温下钢筋混凝土性能的影响因素

周高远 刘 庆

1 概述

火灾条件下，钢筋和混凝土的性能会发生剧烈的变化，这主要体现在其力学性能和热工性能两个方面。作为建筑物最重要的两种材料，在火灾条件下，掌握其高温下性能的变化及其影响因素，对我们防范于未然会有很大的帮助。

2 力学性能

2.1 高温条件下，钢筋的力学性能的影响因素

1)强度。高温下钢材强度随温度升高而降低，降低的幅度因钢材温度的高低和钢材种类的不同而不同。

表1列出了常用建筑钢材16Mn，25MnSi在高温下屈服强度降低系数。

表1 16Mn，25MnSi在高温下屈服强度降低系数［1］

2)初始弹性模量。普通低碳钢弹性模量随温度升高而降低，但降低的幅度比强度降低的小。表2列出了常见建筑钢材16Mn，25MnSi在高温下弹性模量降低系数［1］。

表2 16Mn，25MnSi在高温下弹性模量降低系数［1］

3)变形性能。钢材的伸长率和截面收缩率随着温度升高总的趋势是增大的，而且钢材在一定温度和应力作用下，会发生蠕变，普通低碳钢产生明显蠕变的临界温度为300℃ ～350℃;合金钢产生明显蠕变的临界温度为400℃～450℃。

4)应力—应变曲线。当钢材温度低于300℃时，强度略有增加而塑性降低;当温度高于300℃时，强度降低而塑性增加，同时屈服平台消失，而在设计计算过程中，一般假定钢材应力—应变曲线与常温下的简化曲线相似。

5)有效屈服强度。钢材某一温度水平时实际屈服强度或条件屈服强度，称为钢材的有效屈服强度，一般在进行高温承载力计算时，取其作为钢材的材料强度指标。

2.2 高温条件下，混凝土的力学性能的影响因素

1)抗压强度。朱伯龙、陆洲导、胡克旭［2］在研究中发现并提到，高温下混凝土的抗压强度随着温度的升高而降低;但是国内外的研究试验都发现了一点，当温度在0℃ ～400℃时，抗压强度会出现反复、回升现象。李卫、过镇海［3］在高温下混凝土的强度研究中，对不同混凝土强度和粗骨料的混凝土进行试验，从而得出了不同温度下，混凝土高温抗压强度和常温抗压强度的对比，综合上述研究成果，可以利用统一的经验公式表述，参数由最小二乘法原则确定。

2)抗拉强度。文献［4］在试验研究中发现，高温下混凝土的抗拉强度由于失水、缝隙和界面裂缝从而引起应力集中，所以其强度降低量比抗压强度降低幅度更大。

3)弹性模量。文献［5］根据试验，得出高温下混凝土弹性模量和常温下混凝土弹性模量如下关系表达式:

4)本构关系。朱伯龙等［2］通过一系列试验，给出高温下混凝土的应力—应变数学模型:

当0＜ε(T)≤ε0(T)时:

当 ε(T)＞ ε0(T)时:

3 热工性能

3.1 高温条件下，钢筋的热工性能影响因素

1)导热系数。一般地说，钢材的导热系数是随着温度升高而递减的，但当温度到758℃时，导热系数几乎成了常数，单位为W/(m·℃)，另外各种钢材的热导性不完全一致，主要受含碳量的影响，但是这种影响在设计中一般可以忽略不计。

2)比热。钢的比热容随温度变化比较复杂。

3)热膨胀系数。钢材在热应力作用下同样产生膨胀，其膨胀率与温度基本成正比关系。

4)质量密度。钢材的质量密度基本不随温度变化而改变，在进行结构温度场分析时，一般将质量密度取为与温度无关的常值，即 7 850 kg/m3。

3.2 高温条件下，混凝土的热工性能影响因素

1)热传导系数。影响热传导系数的主要因素归为:骨料类型、含水量、混凝土配合比和温度;其中硅质骨料混凝土的热传导系数比钙质的略大，但两者都随温度的升高而有所减小，但是随着温度的升高，骨料对其影响会越来越小，当温度达到800℃后骨料影响已经很小［6］。

2)比热容。单位质量的材料，当温度升高1 K(或1℃)所需吸入的热量，称为比热容，单位为J/(kg·K)或J/(kg·℃)，文献［7］～［9］指出比热容随温度升高而逐渐增大，在100℃附近比热容会出现一个峰值;600℃后趋于稳定。

3)热膨胀系数。国外部分试验表明［10，11］，骨料的种类、试件配合比与龄期、试件尺寸、加热速率以及试件密实度等为影响混凝土热膨胀系数的主要因素。

4)质量密度。过镇海、时旭东［12］认为混凝土的质量密度随温度的变化并不很明显，所以一般考虑认为其不随温度而改变，为定值2 400 kg/m3。

4 结语

高温下，钢筋和混凝土会受到来自方方面面影响因素的冲击，以上所谈的力学性能和热工性能的影响因素是主要原因，也是直接原因。

［1］ 李引擎，马道贞，徐 坚.建筑构件防火设计计算和构造处理［M］.北京:中国建筑工业出版社，1991.

［2］ 朱伯龙，陆洲导，胡克旭.高温(火灾)下混凝土与钢筋的本构关系［J］.四川建筑科学研究，1990(1):37-43.

［3］ 李 卫，过镇海.高温下混凝土的强度和变形性能试验研究［J］.建筑结构学报，1993，14(1):8-16.

［4］ 李 卫.高温下混凝土强度与变形的试验研究［D］.北京:清华大学土木系，1996.

［5］ 陆洲导.钢筋混凝土梁对火灾反应的研究［D］.上海:同济大学博士学位论文，1989.

［6］ 混凝土结构设计规范修订组.混凝土结构设计规范修订试设计报告［R］.北京:建设部，1999.

［7］ Schneider U.Behaviour of Concrete at High Temperature:Report to RILEM Committee［C］.The Hague，1982:72.

［8］ Harmathy T Z，Allen L W.Thermal Properties of Selected Masonry Unit Concrete［J］.ACI，1973，70(2):132-142.

［9］ Federation Internationale de la Précontrainte.FIP/CEB Report on Methods of Assessment of the Fire Resistance of Concrete Structural Members.FIP，1978.

［10］ Harade T.Strength，Elasticity and Thermal Properties of Concrete Subjected to Elevated Temperature.ACI SP 34-19，Detroit，1972:377-406.

［11］ Weigler H，Fisher R.Influence of High Temperature on Strength and Deformation of Concrete.ACI SP 34-26，Detroit，1972:481-493.

［12］ 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算［M］.北京:清华大学出版社，2003.