钢筋混凝土高温性能研究综述

卢 杨杨 增

1中国人民解放军空军勤务学院机场工程与保障系（221000）2中国人民解放军空军勤务学院后勤指挥系（221000）

混凝土自诞生以来,由于其具有良好的塑性、较高的后期强度、造价低廉等诸多优点，被广泛应用于工业、民用建筑、国防军事防护等工程。混凝土本身是不可燃性材料，但其在高温环境中发生一系列复杂的物理和化学变化，导致其性能劣化而最终影响工程结构的安全。国内外针对经过高温作用后的混凝土在微观组成上的改变、宏观力学性能的变化以及如何改善混凝土的高温力学性能等方面做了大量研究工作[1]。现将对近年来国内外学者关于钢筋混凝土结构在高温下主要性能研究进行归纳综述。

1 国外研究现状

国外对混凝土结构的高温力学性能的研究较早,美国中央标准局在1925年即对混凝土柱进行了高温试验。20世纪50年代开始重视结构的抗火性能，并开始了大量研究工作[2]，如波特兰水泥协会、美国混凝土协会、美国预应力混凝土协会、欧洲国际混凝土协会、德国的Braunschweig工业大学、英国的BRE(Building Research Establishment)以及加拿大的国家研究院等都成立了抗火研究小组，主要研究高温下混凝土材性、板、梁、柱的抗火性能和计算方法。

1991年，Lie在自己多年试验研究的基础上，通过数值模拟分析计算钢筋混凝土柱的耐火极限，计算结果与试验数据吻合较好。通过差分法计算高温后柱截面温度场，根据初等梁理论，不断改变柱中间截面的轴向荷载及曲率来计算根据混凝土的应力—应变关系，再由二者的本构关系计算柱截面的轴力及弯矩，从而求出火灾后柱的极限荷载。1999年比利时科学家Dotreppe、Franssen利用SAFIR分析影响受火钢筋混凝土柱的因素,如保护层厚度、配筋率、截面尺寸、荷载比等，并回归出数学公式，得出的结果与试验非常吻合。2003年新加坡南洋科技大学Tan与Ya也应用SAFIR着火的时间对柱子刚度的影响，得出了着火的时间对柱子刚度影响的一般规律并回归出简单的数学公式[3]。另外如美国、日本、英国、欧洲等一些国家对抗火研究做了大量的试验及理论研究。对普通的钢筋混凝土、预应力混凝土、钢结构的柱、梁、框架、板等建筑结构的防火设计做了很多试验，并且做了关于整栋楼房耐火试验。随后，美国、日本、法国、加拿大、英国等国家先后制定了建筑结构抗火设计规范[4]。

上述分析表明，国外大多数学者都是通过试验来对钢筋混凝土柱进行耐火极限及其力学行为分析，以试验为基础进行编程数值模拟分析钢筋混凝土柱高温后的力学性能,数值模拟分析与试验吻合，得出一定的规律再回归出数学计算公式，就可以把它作为分析钢筋混凝土柱的耐火方法或标准。

2 国内研究现状

国内对钢筋混凝土结构的抗火性能研究起步较晚，相关钢筋混凝土结构抗火性能的试验研究落后于国外，但近十几年来这方面研究发展较快。冶金部建筑科学研究院在20世纪60年代进行过混凝土高温强度的试验研究；公安部天津消防科研所最早建成了大型的构件耐火试验装置，主要用于建筑产品的检验和建筑构件的耐火极限试验研究；中国建筑科学研究院和上海远东防火试验中心也引进了大型的构件抗火试验装置，可以进行各种结构构件的抗火试验；从20世纪80年代起，同济大学、清华大学、哈尔滨工业大学、中南大学等高校先后就高温下混凝土力学性能[5]、钢筋混凝土构件内部温度分布[6]、钢筋混凝土构件[7]及结构的抗火性能等方面开展了试验和理论研究。

清华大学过镇海、时旭东等对建筑结构高温下及高温后构件性能进行了多项研究，主要内容为∶钢筋与混凝土的高温变形、高温强度，不同温度、应力下混凝土的强度与变形，温度、应力、时间耦合作用下钢筋和混凝土的本构关系以及力学性能，材料的热工性能参数，热传导理论，火灾—温度—时间曲线，温度场理论分析方法[8]。经过试验研究发现适当提高混凝土保护层的厚度可以提高构件强度，降低结构变形[9]。不同受火面对结构的受力性能影响很大，比较了两面受火与三面受火对钢筋混凝土压弯构件性能的影响[10]。做了关于钢筋混凝土压弯构件不同升温、加载途径下受力性能试验，考察了先加载后升温与先升温后加载对构件抗火性能的区别，并得出了一定的规律[11]。研究了不同温度工况下均匀受火与不均匀受火对轴心受压柱和偏心受压柱强度、变形等力学性能的影响。中国科学技术大学做了关于火灾从发生、传播、熄灭整个过程的模拟分析，并研究了火灾热量、火场气流、火灾温度的空间分布规律。华南理工大学吴波等人做了关于高温下与高温后钢筋与普通混凝土力学性能试验研究，火灾后钢筋混凝土结构损伤评估方法，火灾受损后结构抗震性能，通过试验数据回归分析得出了一定规律，为进一步结构抗火设计奠定了理论基础。哈尔滨工程大学王振清、苏娟[13]等人做了关于高温下钢筋混凝土梁，钢筋混凝土柱极限承载力、耐火极限的试验研究及理论分析，给出了结构高温下计算的简化方法及计算公式，同时分析了不同参数对高温构件承载力、耐火极限的影响。长安大学张岗、贺拴海、宋一凡等人做了关于钢筋混凝土梁桥火灾高温时变效应研究、高温场形变分析、火灾高温安全评价以及高温下钢筋混凝土梁桥非线性分析。提出了火灾高温下结构有限元计算分析的思路，如何数值模拟钢筋混凝土梁截面温度场的分布，通过考虑火灾高温下钢筋和混凝土强度及刚度的折减系数，推导出了有效力矩法及力矩时效系数计算方法。

3 钢筋混凝土高温下主要性能研究现状

3.1 混凝土热工参数

钢筋混凝土材料的热工参数是开展构件内部温度场分析的基本参数，国外对钢筋和混凝土的高温热工性能进行了大量系统的试验研究，得到了这些热工参数的一般值和变化规律，其中较有影响的是Harmathy和Harada等人在混凝土的热工性能方面的研究成果。国内的过镇海、时旭东、陆洲导、朱伯龙等人对钢筋和混凝土的热工参数均有不同程度的研究。由于试验方法以及材料本身的离散性，不同学者给出的函数表达式的总体规律及趋势大致相同，但具体数值差异较大，由于热工参数的取值直接影响到构件内部温度场的分析，又关系到后续结构分析，因此有必要加强这方面的研究工作。

3.2 混凝土温度场研究

研究温度场是研究钢筋混凝土结构抗火性能的基础，结构内部的温度场对结构的内力、变形和承载力有很大的影响，而结构的内力状态、变形和细微裂缝对温度场影响较小。因此，温度场分析可以先于结构的内力和变形分析，同时可以独立于结构内力和变形分析。

发生建筑火灾时，可燃物释放的热量通过热辐射、热对流以及热传导等方式传递给建筑构件表面,再通过热传导向构件内部传递。由于混凝土是一种热惰性材料,而且热边界条件随时间不断变化,因此构件内温度场是一个随时间变化的非线性温度场。差分法是一种常用的数值计算方法，采用差分法对构件内温度场进行了分析,获得了较高的精度，差分法的不足是要求求解区域比较规则，因此适用范围有限。有限单元法对于不规则区域的求解比较方便，因此通常在空间域上采用有限单元法，在时间域上采用有限差分法，充分利用两者优点来计算温度场的变化。

[1]吕天启,赵国藩,林志伸.高温后静置混凝土的微观分析[J].建筑材料学报,2003,6(2):135～141.

[2]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.

[3]Y.C.Wang:Ana1ysis of Reinforced Concrete She11/P1ate Structures at E1evated Temperature,Bui1ding Research Estab1ishment Note,BRE in U.K,1992.

[4]T.T.Lie and T.D.Lin:Inf1uence of Restraint on Fire Performance of Reinforced Concrete Co1umn,Proc.Of 1st Lnt.Symposium on Fire Safety Science,1986,291～300.

[5]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.

[6]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.

[7]时旭东,过镇海.钢筋混凝土结构的温度场[J].工程力学,1996,13(1):35～43.

[8]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.

[9]时旭东,过镇海.不同混凝土保护层厚度钢筋混凝土梁的耐火性能[J].工业建筑,1996,26(9):12~14.

[10]杨建平,时旭东,过镇海.两面与三面高温下钢筋混凝土压弯构件的性能比较[J].工业建筑,2000,30(6):34~37.

[11]杨建平,时旭东,过镇海.两种升温—加载途径下钢筋混凝土压弯构件受力性能的试验及分析研究[J].工程力学,2001,18(3):81~90.

[12]徐玉野,王全凤,罗漪.混凝土矩形柱的耐火极限分析及实用计算[J].华侨大学学报,2008,29(2):284~288.

[13]苏娟.钢筋混凝土柱的抗火性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2006.

[14]施天莫著,陈越南等译.计算传热学[M].北京:科学出版社,1987.