混凝土结构防火性能研究

(商丘工学院 河南 商丘 476000)



混凝土结构防火性能研究

熊涛张智慧

(商丘工学院河南商丘476000)

现在城市建筑物大部分都采用混凝土结构，它使用范围非常广泛，而城市火灾的破坏程度与混凝土结构的防火性能息息相关。本文首先对混凝土结构相关理论进行概述，阐述混凝土结构的概念，从素混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土三个方面分析混凝土结构的分类。然后展开混凝土结构界面温度场的研究，主要研究火灾温度的确定方法，材料的热工性能，然后分别研究混凝土结构中混凝土和钢筋在高温条件下的力学性能。

混凝土;钢筋;高温;构件;结构

一、引言

无论在哪里火灾的危害都极大，对于城市而言建筑物火灾给人民财产和生命带来严重的威胁。通过研究国内外关于火灾的案例发现，城市建筑混凝土结构在设计时往往因为防火级别不够，导致重大火灾事故的发展。

二、混凝土结构相关理论概述

(一)混凝土结构的概念

混凝土结构以混凝土为主制作的结构。包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构等。和其他材料的结构相比，混凝土结构的优点具体体现在以下几个方面：整体性好，可灌筑成为一个整体；可模性好，可灌筑成各种形状和尺寸的结构；耐久性和耐火性好;工程造价和维护费用低。

(二)混凝土结构的分类

1.素混凝土。素混凝土是针对钢筋混凝土、预应力混凝土等而言的。素混凝土是钢筋混凝土结构的重要组成部分，由水泥、砂(细骨料)、石子(粗骨料)、矿物参合料、外加剂等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。

2.钢筋混凝土。当在混凝土中配以适量的钢筋，则为钢筋混凝土。钢筋和混凝土这种物理、力学性能很不相同的材料之所以能有效地结合在一起共同工作，主要靠两者之间存在粘结力，受荷后协调变形。再者这两种材料温度线膨胀系数接近，此外钢筋至混凝土边缘之间的混凝土，作为钢筋的保护层，使钢筋不受锈蚀并提高构件的防火性能。

3.预应力混凝土。预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前，利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压，所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，也就提高了结构构件的抗裂度。

三、混凝土结构界面温度场的研究

当火灾发生时混凝土结构防火性能分析条件和火灾发生时相同的。都需要从混凝土结构的强度和变形两个方面来分析，具体而言就是分析其承载能力和变形能力。混凝土结构的高温性能是研究其防火性能的重要先决条件。

混凝土结构内部有的只有水泥是沙，有的含有钢筋和水泥石沙。当发生火灾时，在高温的作用下，混凝土中的水泥石和钢筋发生收缩，其他材料发生膨胀，在同一结构中，有几类材料强度不同，导致混凝土结构内部产生裂缝。当混凝土机构表面温度超过400℃时，其内部的Ca(OH)2，脱水，分解成CaO，混凝土结构出现严重变形。当温度超过600℃时，混凝土结构强度急剧减弱。

(一)火灾温度的确定方法

城市建筑物火灾需要经历几个阶段，其中燃烧阶段是本文研究的重点。在燃烧阶段时，建筑物混凝土结构周边的环境越高，建筑物损毁的程度月到。混凝土结构的火灾程度跟几个参数密切相关，例如建筑物装修材料，相关可燃物的大小和位置摆放；建筑物室内的户型，门窗小面，室内建筑面积大小；还有火灾当天的温度，通风情况。

通过研究相关资料发现火宅的标准温度与时间存在一定的对应关系，在0.5h小时内，温度从0℃直接几何式增长到800℃，之后开始温度开始缓慢的增长，5h时，火灾温度可能达到1100℃。火灾发生时，威胁最大的就是可燃物的数量和分布情况，其次高温对混凝土结构表面的影响。存在一种温度时间曲线图，它是研究混凝土防火性能及火灾温度确定最基本的依据。

(二)材料的热工性能

1.混凝土在高温下的物理和化学变化。混凝土是由固、液、气三相构成的非匀质组合材料，各成分在不同温度下会发生一系列的物理和化学变化，进而影响到材料宏观的热工物理和化学变化，使材料宏观的热工和力学性能发生变化。

2.混凝土在高温下的热工性能。在研究混凝土结构温度场时，比较从几个方面展开研究，第一是混凝土结构质量密度，第二混凝土结构的热膨胀系数，第三是混凝土结构材料单位热容量，第四是混凝土结构的热导系数。市场上存在各种各样的混凝土材料，因此原材料的不同，导致混凝土结构化学成分、组合比例以及含水量也不尽相同。

3.钢材在高温下的热工性能。钢材的热工性能随温度升高的变化趋势与混凝土类似。

(三)热传导方程和温度场的确定

结构在高温下的温度场一般不受其内力和变形值的影响，因而可以独立的先于内里进行分析。

四、构件的高温性能和抗高温研究

(一)梁式构件

钢筋混凝土简支梁在火灾高温下会产生与常温下完全不同的横向裂缝和龟状裂缝;火灾时混凝土梁的使用荷载大小对挠度反应有很大的影响。常温时属于适筋的高配筋率简支梁，高温后其破坏形态可能转变为超筋破坏;梁的配筋率越高，高温后其承载能力的降低幅度也越大。

(二)柱式构件

四面均匀受火条件下，轴压柱主要因混凝土压碎而破坏，偏压柱则主要因侧向挠度过大而失效，骨料种类对轴压柱的影响比偏压柱要大，但端点约束对偏压柱的影响比轴压柱更为显著。不均匀受火(如三面受火)柱的破坏形态与常温下截然不同，此时截面的强度中心与几何中心一般不再重合，常温下的轴压柱实际已处于偏压状态，最后呈现出与常温不同的小偏心受压破坏，且侧向极限变形较大，恒载升温柱比恒温加载柱的抗火性能要好。

(三)墙式构件

火灾作用下混凝土强度较高的墙的变形比混凝土强度较低的墙要小。单面受火时，墙的面内承载力明显降低，但混凝土强度对面内承载能力影响不大。与弯曲裂缝较多的墙相比，没有弯曲裂缝或弯曲裂缝较少的墙更容易发生爆裂。钢筋保护层厚度对墙的承载能力具有显著影响。

(四)结构抗高温的构造措施

构造措施对结构抗火性能有重要影响，如合理选择结构材料、规定构件最小截面尺寸、最小混凝土保护层厚度、配置附加钢筋、加强钢筋锚固、延长纵筋的切段长度和埋设长度、妥善处理预制构件的接缝等。

五、结论

研究混凝土结构的防火性能对我国建筑业的蓬勃发展有很重要的意义。本文通过对钢筋混凝土构件的两个主要组成部分:钢筋和混凝土,分别在高温下和高温后材料性能的分析、归纳,给出了普通钢筋、预应力钢筋及混凝土等结构材料抗高温的性能规律,希望能为人们研究混凝土及预应力混凝土结构的抗火性能及其损伤评估能提供些帮助。

[1]刘汾涛.碳纤维布加固混凝土梁的高温性能研究[D].华南理工大学,2010.

[2]李梓汐.粘贴法加固混凝土结构防火试验研究[D].河北农业大学,2013.

[3]刘汾涛.碳纤维布加固混凝土梁的高温性能研究[D].华南理工大学,2010.