混凝土在火灾作用下的变化与检测方法

李新辉

摘要：在火灾作用下，混凝土和钢筋力学的性能会发生变化，进而引起混凝土柱、梁、楼板、墙体的受损。为此，本文应用ABAQUS 软件对混凝土的高温条件下不同受火方式、截面尺寸、骨料类型、升温时间、含水率等进行非线性高温反应分析，了解各个参数对混凝土温度场的影响规律和火灾作用下钢筋混凝土构件受损及承载力降低因素，提出火灾后混凝土的检测和鉴定方法。

关键词：混凝土；火灾；抗震性能；温度场；检测

火灾的发生会使得出现温度的升高，在温度的持续升高下混凝土的力学性能会出现不同程度的降低。在高温作用下，混凝土构件的承载力也深受温度的影响，在温度升高下，极限弯矩减小。火灾作用下混凝土构件温度场是分析混凝土 构件抗火性能、损伤分析、指标评定的重要基础。在分析混凝土结构抗火性能的时候需要对混凝土结构温度场进行分析。为此，文章主要应用有限元分析软件ABAQUS 对钢筋混凝土梁在高温作用下的温度场进行非线性瞬间分析，从高温条件下不同受火方式、截面尺寸、骨料类型、升温时间、含水率等参数具体分析火灾对混凝土梁温度场的影响。

一、混凝土结构构件温度场

混凝土结构构件温度场的分析工作是进行结构抗火性能研究的重要基础，逐渐引起了建筑工程结构抗火领域研究人员 关注。常见的混凝土结构温度场研究方法有两种，一种是理论分析，另外一种是试验操作分析。其中，试验操作方法所耗费的时间较长，所需要的资金消耗较大，理论研究分析在某种程度上杜绝了操作不便的情况。理论分析的应用能够对相对稳态的温度场传热问题进行细致的剖析。但对于大多数的火灾升温瞬态传热问题则是没有明确的解释，一般采用数值分析方法。

二、混凝土结构构件温度场数值模拟及分析

（一）混凝土结构构件温度场数值模拟概况

文章所选择的数值模型是截面尺寸bxh=200mmx300mm，长度L=3000mm的钢筋混凝土结构。在对混凝土构件温度场分析的时候假设混凝土各个构件的截面和使用材料是完整、连续的（选择的材料不存在开裂和表皮脱落问题）。混凝土结构构件温度场数值模拟操作需要应用软件ABAQUS 中的八节点线性传热六面体单元。基于在混凝土构件中，钢筋占据的小比例，钢筋导热系数较大，为此，在实验操作中可以不考虑钢筋对混凝土结构的影响。

（二）混凝土结构构件梁截面温度场影响分析

1.受火方式

火灾的发生具有不确定、不稳定、波及范围广的特点，建筑混凝土结构在火灾中的受火方式分为以下三种：一面受火、两面受火、三面受火。在火灾环境下，建筑混凝土结构梁截面中心点位置上的温度也会发生相应的变化。在火灾环境下，不同时间范围内混凝土结构构件梁截面对称轴25mm位置上的变化情况如图三所示。经过实践研究证明，火灾发生的时候，对建筑物的梁截面温度场有着比较大的影响，建筑混凝土截面除了两面受火，其他受火方式作用下的温度分布也呈现出对称的局面。受火面距离越远，相应的温度就越低，混凝土结构梁截面中心点、截面竖向对称轴距离底面25mm的位置上是受火的初期，不同受火方式对混凝土截面温度场的影响不大，但是在火逐渐变大下，受火面的数量对截面温度场的影响越来越大。

2.截面尺寸

为了能够更好的分析火灾发生强弱对混凝土建筑结构和截面的影响，在操作的时候可以通过改变混凝土梁截面尺寸大小来分析判断。综合各种分析结果发现，不同截面尺寸距离受火底面较近点的温度基本相同，在混凝土截面高度的增加下，混凝土截面尺寸对混凝土温度场的影响也相应的增加，切在截面竖向对称轴距离底面300mm位置上的温度差最大。

3.骨料类型

在同样的受火条件下，在同样位置上的建筑梁截面骨料温度高低不同，其中硅质骨料温度高，轻质骨料混凝土温度低、质量差。在混凝土梁截面高度不断增加下，受不同岩石骨料配比成的混凝土导热系数不同，温度差也会相应的增加，且一般材料骨料混凝土要比钙质混凝土导热数值高。

4.含水率

在较高温度的影响下，混凝土构件中水分蒸发会随着物质的变化发生变化，由此对混凝土内部温度变化产生了深刻的影响。含水率对温度场的影响比较复杂，为此，文章结合实际情况应用科学的方法分析建筑混凝土在100-200摄氏度环境下的热容，通过热容进一步了解含水率度对建筑混凝土温度场产生的影响。含水率越高，在同样受火时间内截面的温度就会变低，含水率影响混凝土截面温度——时间曲线在100摄氏度-200摄氏度之间的变化最大。在分析这种现象之后总结出混凝土温度在超过100摄氏度的时候，内部的一些自由水会转变为水蒸气，这些水蒸气会从微小的孔隙中带走多余的成分，因而在温度是100摄氏度左右的时候，混凝土截面曲线变化趋于平缓，可见，含水率对梁截面周围点的温度影响不大。

三、混凝土结构构件在火灾下的受损情况以及承载力降低分析

（一）混凝土结构构件在火灾下的受损情况

第一，梁。混凝土梁在火灾作用下处于三面受火的状态，大多是梁底部直接受火，受火灾影响后，建筑梁纵向钢筋会出现裂缝，新浇筑混凝土底面也会出现剥落的现象。第二，钢筋混凝土柱。钢筋混凝土柱在火灾中四个面都处于受火的状态，破坏的时候受损比较严重，产生的裂缝也比较深。第三，板和墙。在火灾中，楼板、墙位置比较容易受损，在火灾的影响下，短时间内就能达到600摄氏度，表面会出现裂缝。

（二）混凝土结构构件在火灾下的承载力降低分析

在建筑混凝土平均温度比较高的情况下，如果火灾温度高、持续时间长，建筑物自身抗震能力也会被降低。在这样的情况下，建筑物如果应用了质量比较轻的混凝土，温度高低变化的影响会在一定程度上降低构件的抗压强度，而应用硅质混凝土高温后的抗压强度降低程度达到最大。

四、混凝土结构构件在火灾在的检测和鉴定

（一）检测

第一，外部检测。混凝土结构的外部检测要注重查看构件的表面受损情况，具体表现在混凝土表面的裂纹、疏松情况、构件变形等，同时还要评估火灾的温度，推断构件受损的大体程度。第二，取样检测。构件损伤检测结果是混凝土结构可靠的重要依据，因此在操作的时候要分类取样，同时考虑温度、混凝土强度、钢筋力学指标信息。

（二）鉴定

火灾发生之后需要检验建筑物的可靠度，首先鉴定建筑物的危险度，提出相应的应急预案。其次，还需要对火灾间接带来的构件损伤等进行鉴定，加强对节点、柱端破损现象的检查。再次，做好火灾直接损伤构件的鉴定。对混凝土外部构件的检测可以通过敲击、检查是否存在碳化现象的方式进行，如果发现了轻微的裂纹，需要相关人员及时修补。如果混凝土的表面出现了微微的红色、不存在裂缝和碳化现象，在这个现象之后火灾的温度往往达到了500摄氏度，建筑构件的强度下降。

五、结语

综上所述，建筑物在经过火灾之后，其承载力、刚度等伴随火灾温度的变化都会发生不同程度的降低，抗震性能也会降低。为此，需要相关人员结合火灾后建筑物的受损情况来采取相应的加固措施，有效恢复建筑物的使用性。基于有限元软件选择适合的参数，对火灾下钢筋混凝土梁温度场进行非线性高温反应分析，了解到混凝土的高温条件下不同受火方式、截面尺寸、骨料类型、升温时间、含水率的变化规律，旨在为火灾作用下混凝土结构加固和处理提供重要支持。

參考文献：

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