隧道鋼混結構火災力學性能研究綜述

盧 楊，李修國，王佩璽，楊 增

（1.中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系，江蘇 徐州 221000；2.中國人民解放軍95996部隊，北京 102402；3.中國人民解放軍空軍勤務學院后勤指揮系，江蘇 徐州 221000）

隧道鋼混結構火災力學性能研究綜述

盧 楊1，李修國2，王佩璽1，楊 增3

（1.中國人民解放軍空軍勤務學院機場工程與保障系，江蘇 徐州 221000；2.中國人民解放軍95996部隊，北京 102402；3.中國人民解放軍空軍勤務學院后勤指揮系，江蘇 徐州 221000）

隧道襯砌基本都是鋼筋混凝土結構，近年來，由于隧道內部火災的不斷發生，隧道內部高溫環境導致鋼筋混凝土結構發生較為嚴重的破壞。本文主要對當前國內外學者關于隧道襯砌結構在火災中（后）的力學性能的相關研究進行梳理，歸納總結鋼筋混凝土結構在高溫環境中的力學性能變化情況。

鋼筋混凝土；高溫；粘結性

近十幾年來，隨著交通事業的不斷進步以及施工技術的日益提高，地下隧道工程也有了長足進步，然而，在隧道工程逐漸普及的同時，隧道的安全問題也漸漸凸顯，尤其是國內外幾次大的隧道火災事故，出現了重大人員傷亡還經濟財產損失。因此，研究隧道結構的耐火性具有十分必要的意義。隧道襯砌結構大都是鋼筋混凝土結構，如何評定隧道襯砌火災安全性，需要對鋼筋混凝土結構高溫后的力學性能進行研究，當前，關于火災高溫時（高溫后）混凝土材料的物理力學性能國內外學者已經開展了大量的試驗研究工作，并得到了豐富研究成果，主要是以下幾個方面的內容：

1 混凝土的高溫熱工性能和熱工參數

1.1 混凝土的高溫熱工性能

陸洲導根據傅立葉定律用穩態保護熱板試驗法推出了普通混凝土的熱傳導系數與溫度的關系，并給出了簡化后的混凝土熱膨脹系數計算公式，同時他又根據熱平衡原理提出了我國普通混凝土比熱的計算公式。Sultan和Kodur給出了硅質、鈣質高強混凝土熱工參數與溫度間的關系。

1.2 混凝土的熱工參數

混凝土的熱工參數主要指混凝土的密度、導熱系數、比熱、綜合換熱系數以及熱膨脹系數。

混凝土的導熱系數是混凝土傳導熱量的能力，定義是單位溫度梯度下單位時間內通過單位面積的熱量，同濟大學陸洲導建議高溫下混凝土的導熱系數：

比熱是指單位質量的材料溫度升高一度時所需的熱量。影響比熱的因素有混凝土的骨料類型、配合比和含水率等。相關資料建議高溫下混凝土的比熱隨溫度變化的關系為：

綜合換熱系數是混凝土受火面與熱煙氣流及周圍環境間存在著不穩定的對流與輻射換熱，影響因素主要有：流動狀態、固體的物性和表面的幾何參數等。我國段文璽建議的混凝土表面的綜合換熱系數如表1所示。

表 1

熱膨脹系數是指溫度升高1℃時物體單位長度的伸長量，為無量綱參數。根據清華大學的試驗，混凝土的熱膨脹系數可近似取作：

2 鋼筋高溫時力學性能方面和熱工參數

2.1 鋼筋高溫時力學性能

陸洲導通過對高溫中鋼筋性能的試驗研究得出了高溫中鋼筋的屈服強度、極限強度與溫度的試驗回歸關系，并給出了高溫中Ⅱ級鋼筋的二折線彈塑性應力—應變關系。鈕宏通過對多根鋼筋的對比試驗，得出了不同溫度和荷載同時作用下的鋼筋強度、變形、彈性模量和應力—應變關系的變化規律。時旭東和過鎮海給出了高溫時鋼筋強度及變形性能的劣化規律。

2.2 鋼筋的熱工參數

鋼筋的高溫熱工參數主要包括鋼的密度、比熱、線膨脹系數。鋼的密度隨溫度的變化很小，可取常數，ρ=7850kg/m3。鋼材熱傳導系數基本保持不變。歐洲鋼結構協會采用的精確值由下式表示:

根據清華大學的試驗資料，鋼筋的線膨脹系數可近似取為:

3 鋼筋與混凝土的粘結性能方面

張大長和呂志濤提出T鋼筋與混凝土間粘結性能的計算方法。周新剛和吳江龍通過對進行不同溫度下試件中心拔出對比試驗，測得了相應的粘結滑移關系曲線以及粘結強度與保護層厚度及混凝土抗拉強度的關系。Chiang和Tsai基于火災后鋼筋與混凝土間的粘結性能的試驗成果，得出當溫度超過200℃后，鋼筋與混凝土間的粘結性能明顯下降的結論。

[1]朱伯龍，陸洲導，胡克旭.高溫（火災）下混凝土與鋼筋的本構關系.四川建筑科學研究[J].1990（1）:37-43.

[2]時旭東，過鎮海.鋼筋混凝土結構的溫度場.工程力學[J].1996，13（1）:35-43.

[3]過鎮海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京:清華大學出版社，2003.

[4]時旭東，過鎮海.不同混凝土保護層厚度鋼筋混凝土梁的耐火性能[J].工業建筑，1996，26（9）:12-14.

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1671-3362（2013）07-0064-01