火灾下混凝土强度和变形性能研究综述

李秋明 于俊鹏 马颖慧

（华北理工大学 建筑工程学院， 河北 唐山 063009）

火灾下混凝土强度和变形性能研究综述

李秋明 于俊鹏 马颖慧

（华北理工大学 建筑工程学院， 河北 唐山 063009）

对国内外混凝土抗火性研究中力学性能研究成果进行了总结。论述了混凝土的各项力学性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、高温下混凝土的耦合本构关系等方面的内容。此外提出了一些问题，主要是火灾下、力和温度共同作用下、多轴作用下等方面的材料高温性能研究不足。最后提出了高温下混凝土力学性能研究方向，即建立更多的耦合本构关系模型，重点研究高温下多向应力作用下混凝土及钢材的力学性能。

火灾；混凝土；强度；变形

通常高温下与高温后钢筋和混凝土的力学性能具有比其常温性能更大的随机性。为促进混凝土结构抗火研究从目前确定性阶段向随机概率阶段推进，必须从材料层次定量刻画其随机高温特性。砼的高温性能主要取决于其组成材料的矿物化学成分、配合比和含水量等因素，还因为研究人员所用试验设备、试验方法、试件的尺寸和形状，以及加热速度和恒温时间等的不同而有较大差别。

1 抗压强度

国内外众多学者通过大量的试验研究［1，2，3］，对火灾时混凝土的抗压强度变化进行归纳总结，得出了混凝土抗压强度在高温过程中的变化规律。当温度低于250℃时，混凝土的抗压强度变化不明显；温度介于300℃～400℃时，混凝土强度开始下降；当温度高于550℃时，混凝土内部裂缝开始发展，抗压强度下降加快；温度超过900℃时，混凝土抗压强度降至很小。

2 抗拉强度

国内外的学者测定高温作用下混凝土的抗拉强度普遍采用劈裂试验法。王峥［4］采用国家重点实验室的GXW1000A型高温环境箱对30个100mm×100mm×100mm的立方体试件加热，分别测定不同高温作用下的混凝土抗拉强度与常温下对比。并且用最小二乘法的原则，归纳出了抗拉强度与温度的关系。得出的主要结论是抗拉强度随温度升高而降低的变化规律十分明显，但是高温下混凝土的抗拉强度与抗压强度变化规律不同，所以抗拉强度和抗压强度的比值不是常数值。

胡翠平［5］对62组标准混凝土立方体试块进行抗拉劈裂试验得出冷却的高温后混凝土试件与高温作用前抗拉强度相对比值与温度关系图。并对折线进行回归分析，确定高温后抗拉强度相对值与过火温度关系。胡翠平的研究结果表明喷水冷却后比自然冷却后混凝土的抗拉强度低，这对工程火灾事故中的喷水救火方式有很大的建议性作用。

3 弹性模量

4 高温下混凝土的耦合本构关系

4.1 恒温下应力产生的应变ε0。采用先升温至恒定温度，然后加载至试块破坏的方法，对不同温度下混凝土试块进行试验。

4.2 恒载下温度产生的应变εT。在相同温度下，混凝土的自由膨胀应变和应力下的温度应变的差值称为瞬态热应变。瞬态热应变数值很大，而且在升温的即时出现，成为混凝土高温变形的主要部分，对结构的应力重分布或应力松弛的影响很大，在结构的高温分析中应重点考虑。

4.4 高温本构关系耦合。高温作用下混凝土的本构关系相比较常温下十分复杂，高温的本构关系需要由应力、温度、时间、应变等至少4个因素来确定。而在进行钢筋混凝土结构的高温（抗火）分析时，必须考虑混凝土所经历的不同温度-应力途径对变形的影响，采用合理的耦合本构关系，才能得到准确的研究温度应力松弛和内力重分布，获得可信的结果。

5 结论

混凝土高温下的耦合本构关系一直是国内外研究的热点，研究高温下混凝土的力学性能首先必须解决实际问题中的内力重分布，综合研究高温时应力、应变、温度、时间等因素。目前我国在这一方面研究还不全面，应该建立更多的耦合本构关系模型，例如粘弹性本构模型、粘塑性本构模型、基于损伤的本构模型，重点研究高温后基于损伤和破坏理论的本构关系。

虽然关于材料的高温力学性能的研究取得了不少成绩，但是实际结构火灾中材料常常处于多向应力状态，为了准确地进行结构火灾反应分析，研究高温下多向应力作用下混凝土及钢材的力学性能是必要的，这将为结构的三维非线性有限元分析奠定坚实的基础。但到目前为止，国内外有关高温下与高温后混凝土力学性能的研究结果几乎都是针对单向受力情况，高温下多轴力学性能的研究成果只见到极少的文献报道，还有待进一步深入研究。

［1］吴波，袁杰，王光远.高温后高强混凝土力学性能的试验研究［J］.土木工程学报， 2000，33（02）：8-12.

［2］Balendran R. V.， Nadeen A.， Maqsood T. Flexural and Split Cylinder Srength of HSC at Elevated Temperatures［J］. Fire Teehnology， 2003，39（1）：47-61.

［3］宿晓萍， 吴波， 袁杰. 高温（非均匀温度场）后约束高强混凝土力学性能的理论研究［J］. 哈尔滨建筑大学学报，2002，35（2）：21-25.

［4］王峥， 宋玉普. 高温对混凝土抗拉强度与黏结强度影响的试验研究［J］. 混凝土， 2010，8：51-53.

TU375.3

A

1003-5168（2015）11-113-01