基于CFAST平台的钢筋混凝土构件火灾损伤评估研究

李毅锋，叶词福，涂 敏

（1、广州市建设科技中心 广州 510006；2、广东工业大学大学土木与交通工程学院 广州 510006）

0 引言

建筑火灾会导致混凝土构件产生损伤，可能会导致构件承载力下降甚至是结构坍塌，进而给人民生命财产安全带来严重威胁［1］。因此，有必要对火灾后的建筑结构安全性进行检测和评定［2-3］。目前，对于火灾后钢筋混凝土结构的安全评估方式是在建筑结构安全性未确定的情况下开展现场检测。常用的回弹法［4-5］、锤击法［6］、钻芯法［7-8］等可能对灾后建筑造成二次影响。采用超声［9］、红外热成像［10］等无损检测方式，则由于鉴定周期较长无法达到快速评估的效果。此外，采用大型的有限元模拟软件如FDS、ANSYS 和ABAQUS 等可以得到更精确的评估结果［11-14］，但这些方法同样存在建模复杂且评估报告耗时较长等不足。

为实现对火灾后建筑结构的损伤程度进行快速而较为准确的评估，本文基于CFAST快速火灾模拟软件对火灾后钢筋混凝土构件损伤的快速评估方法，并进行了案例研究，为火灾后钢筋混凝土构件的损伤评估提供参考。

1 评估系统总体设计

本文设计的评估系统考虑混凝土构件的数据库模块、计算模块及损伤评估模块3个部分，具体框架结构如1 所示。该系统软件采用C#语言进行编制，采用SQLite 数据库进行数据库管理，可在windows 2000、windows XP、windows NT等环境下工作。

该系统软件构建思路如下：

图1 评估系统设计框架Fig.1 Design of Evaluation System

数据库模块主要有存储和内置参数2 个功能，存储功能包括存储用于损伤计算和评估的相关规范和标准及其计算、评估结果；内置的参数则有相关计算值、评估规范及标准，供计算模块和评估模块调用。

计算模块的主要功能是在输入数据后，通过调用数据库模块的内置参数，并对进行分析后，重新将计算得到的结果储存到数据库中。

损伤评估模块的主要功能是计算混凝土和钢筋的材料性能退化以及混凝土构件火灾损伤深度，将计算结果与相应的评估准则进行比较，并存储到数据库中。

该评估系统软件主要功能如下：

⑴通过快速建模重现火灾过程，快速获取建筑内部火灾温度变化情况，进而快速获得关键混凝土构件所处火灾温度场；

⑵计算得到火灾后混凝土构件截面温度场，实现材料损伤程度和深度的理论依据；

⑶基于CFAST模拟结果获取构件不同温度历史下的材料性能退化，快速评估火灾后的钢筋混凝土构件损伤程度；

⑷基于系统软件得到的混凝土构件截面温度分布，快速评估构件的受损深度；

⑸系统软件界面操作简单，建模高效，可实现火灾后建筑结构损伤应急鉴定。

1.1 系统数据库与计算系统

1.1.1 数据库

该系统通过SQLite 数据库进行管理，包括静态与动态数据库。静态数据库用于存储损伤计算和评估的相关规范和标准及其计算、评估结果；而动态数据库则为火灾损伤计算和评估提供相关参数和标准值。

1.1.2 计算系统

计算系统主要用于计算混凝土构件截面温度场和混凝土、钢材等损伤情况。

⑴ 构件截面温度场以热传导原理进行计算分析，通过有限差分法建立差分方程，以CFAST 输出的构件表面温度曲线为边界条件，对混凝土构件的温度场进行数值模拟，并将模拟结果存储于数据库中；

⑵ 材料损伤计算部分考虑构件平均温度为CFAST 模拟得到的表面最高温度，在此基础上进行混凝土构件的损伤评估。通过调用数据库中相关的规程及标准，可计算出混凝土剩余强度、热膨胀应变、高温下钢筋屈服强度弹性模量，并在相应结果存储于数据库中。

1.2 材料损伤评估设计

构件材料损伤主要考虑混凝土材料和钢筋材料的损伤以及构件损伤深度。具体的评估设计如下：

1.2.1 混凝土材料损伤评估设计

混凝土材料损伤评估包括混凝土剩余抗压强度、热膨胀应变2个参数。计算依据如下：

⑴混凝土剩余抗压强度

通过构件表面最高温度对混凝土剩余抗压强度进行计算，见式⑴：

式中：D为火灾后混凝土强度的折减系数，取值如表1［15］所示。fc和fc′分别为混凝土轴心抗压强度设计值和高温后混凝土剩余抗压强度，取值如表2［16］所示。

表1 不同冷却方式下混凝土抗压强度折减系数Tab.1 Compressive Strength Reduction Factor of Concrete after Natural or Water Cooling

表2 混凝土轴心抗压强度设计值Tab.2 Design Value of Concrete Axial Compressive Strength

⑵混凝土的热膨胀应变

参考《建筑混凝土结构耐火设计技术规程：广东省标准DBJ/T 15-81—2011》［17］，混凝土的热膨胀应变主要考虑混凝土的骨料类型和构件最高温度，计算分别见式⑵和⑶。

1.2.2 钢筋材料损伤评估设计

钢筋材料的损伤评估考虑高温下钢筋的屈服强度、弹性模量，计算依据如下：

⑴高温下钢筋的屈服强度

基于混凝土构件表面最高温度来计算高温下钢筋屈服强度，见式⑷：

式中：ηyT为普通钢筋的屈服强度折减系数，见式⑸［17］；fyk和fyk′分别为钢筋屈服强度标准值和高温后钢筋剩余屈服强度，取值如表3［15］所示。

表3 钢筋强度标准值Tab.3 Strength Standard Values of Steel Bar

普通钢筋屈服强度折减系数见式⑸：

⑵高温下钢筋的弹性模量

同样基于混凝土构件表面最高温度来计算高温下钢筋弹性模量，见式⑹：

式中：ηsT为高温下普通钢筋的弹性模量，见式⑺［14］；EsT和Es分别为钢筋高温下的弹性模量及普通钢筋的弹性模量，见表3［17］。

普通钢筋的弹性模量折减系数：

1.2.3 钢筋混凝土损伤深度评估设计

文献［17］指出温度大于500 ℃后的混凝土将不再参与承载，即混凝土构件截面中500 ℃等温线与构件表面的深度可视为火灾影响的损伤层厚度。因此，本文基于有限差分法得到的混凝土构件温度分布情况，以500 ℃等温线为依据，对火灾后钢筋混凝土的损伤深度进行评估。

2 评估过程与评估结果

为了验证评估系统的可行性，以火灾后的洗衣店为研究对象，对其钢筋混凝土楼板损伤进行了快速评估。案例工况如下：

洗衣房的钢筋混凝土楼板厚度为100 mm；强度等级为C30；骨料为钙质骨料；材料密度为501 kg/m3；常温下弹性模量为39 GPa；钢筋型号为HRB400。在火灾出现后，现场经消防队员喷水处理很快控制火情［18］。

通过CFAST软件模拟了洗衣房的火灾情况，得到的混凝土楼板表面温度如图2所示。通过模拟得到的表面温度，进而可计算得到楼板内部的温度场分布情况。通过在软件中设置△t=0.005 min，△x=1 mm，可自动获得数值分析结果，如图3所示。

图3 楼板截面温度分布Fig.3 Temperature Distribution of the Floor

基于CFAST模拟结果中楼板表面的最高温和热传递原理得到的构件截面温度，评估得到在火灾后的混凝土剩余强度为10.05 MPa；火灾导致的混凝土热膨胀应变为0.004 63；火灾影响后的钢筋屈服强度为163.1 MPa；火灾影响后的钢筋弹性模量为1.07×105MPa。此外根据本系统得到的楼板截面500 ℃等温线分布，发现楼板损伤深度为1 mm，表明楼板几乎没有损伤。

3 结论

本文基于CFAST平台开发了能够快速建模、火灾模拟及损伤评估的火灾后钢筋混凝土构件损伤快速评估系统，该系统通过SQLite 数据库进行管理。通过对某洗衣房火灾后混凝土楼板的快速评估，可以得到如下结论：

⑴相比与传统评估方法，本基于CFAST 平台的系统能简单建立模拟建筑火灾后的模型，简单的操作方式提高了评估效率。

⑵文中模拟的建筑经计算后无明显损伤，说明了该评估系统能够有效评估火灾后混凝土和钢筋材料的损伤情况以及混凝土构件的损伤深度。