隧道钢混结构火灾力学性能研究综述

卢杨　李修国　王佩玺　杨增

摘 要：隧道衬砌基本都是钢筋混凝土结构，近年来，由于隧道内部火灾的不断发生，隧道内部高温环境导致钢筋混凝土结构发生较为严重的破坏。本文主要对当前国内外学者关于隧道衬砌结构在火灾中（后）的力学性能的相关研究进行梳理，归纳总结钢筋混凝土结构在高温环境中的力学性能变化情况。

关键词：钢筋混凝土；高温；粘结性

中图分类号：TU398.9 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0064-01

近十几年来，随着交通事业的不断进步以及施工技术的日益提高，地下隧道工程也有了长足进步，然而，在隧道工程逐渐普及的同时，隧道的安全问题也渐渐凸显，尤其是国内外几次大的隧道火灾事故，出现了重大人员伤亡还经济财产损失。因此，研究隧道结构的耐火性具有十分必要的意义。隧道衬砌结构大都是钢筋混凝土结构，如何评定隧道衬砌火灾安全性，需要对钢筋混凝土结构高温后的力学性能进行研究，当前，关于火灾高温时（高温后）混凝土材料的物理力学性能国内外学者已经开展了大量的试验研究工作，并得到了丰富研究成果，主要是以下几个方面的内容：

1 混凝土的高温热工性能和热工参数

1.1 混凝土的高温热工性能

陆洲导根据傅立叶定律用稳态保护热板试验法推出了普通混凝土的热传导系数与温度的关系，并给出了简化后的混凝土热膨胀系数计算公式，同时他又根据热平衡原理提出了我国普通混凝土比热的计算公式。Sultan和Kodur给出了硅质、钙质高强混凝土热工参数与温度间的关系。

1.2 混凝土的热工参数

混凝土的热工参数主要指混凝土的密度、导热系数、比热、综合换热系数以及热膨胀系数。

混凝土的导热系数是混凝土传导热量的能力，定义是单位温度梯度下单位时间内通过单位面积的热量，同济大学陆洲导建议高温下混凝土的导热系数：

比热是指单位质量的材料温度升高一度时所需的热量。影响比热的因素有混凝土的骨料类型、配合比和含水率等。相关资料建议高温下混凝土的比热随温度变化的关系为：

综合换热系数是混凝土受火面与热烟气流及周围环境间存在着不稳定的对流与辐射换热，影响因素主要有：流动状态、固体的物性和表面的几何参数等。我国段文玺建议的混凝土表面的综合换热系数如表1所示。

热膨胀系数是指温度升高1℃时物体单位长度的伸长量，为无量纲参数。根据清华大学的试验，混凝土的热膨胀系数可近似取作：

2 钢筋高温时力学性能方面和热工参数

2.1 钢筋高温时力学性能

陆洲导通过对高温中钢筋性能的试验研究得出了高温中钢筋的屈服强度、极限强度与温度的试验回归关系，并给出了高温中Ⅱ级钢筋的二折线弹塑性应力—应变关系。钮宏通过对多根钢筋的对比试验，得出了不同温度和荷载同时作用下的钢筋强度、变形、弹性模量和应力—应变关系的变化规律。时旭东和过镇海给出了高温时钢筋强度及变形性能的劣化规律。

2.2 钢筋的热工参数

钢筋的高温热工参数主要包括钢的密度、比热、线膨胀系数。

钢的密度随温度的变化很小，可取常数，ρ=7850kg/m?。

钢材热传导系数基本保持不变。欧洲钢结构协会采用的精确值由下式表示：

根据清华大学的试验资料，钢筋的线膨胀系数可近似取为：

3 钢筋与混凝土的粘结性能方面

张大长和吕志涛提出T钢筋与混凝土间粘结性能的计算方法。周新刚和吴江龙通过对进行不同温度下试件中心拔出对比试验，测得了相应的粘结滑移关系曲线以及粘结强度与保护层厚度及混凝土抗拉强度的关系。Chiang和Tsai基于火灾后钢筋与混凝土间的粘结性能的试验成果，得出当温度超过200℃后，钢筋与混凝土间的粘结性能明显下降的结论。

参考文献

[1] 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.四川建筑科学研究[J].1990（1）：37-43.

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

[3] 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.

[4] 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.