火災下混凝土強度和變形性能研究綜述

李秋明 于俊鵬 馬穎慧

（華北理工大學 建筑工程學院， 河北 唐山 063009）

火災下混凝土強度和變形性能研究綜述

李秋明 于俊鵬 馬穎慧

（華北理工大學 建筑工程學院， 河北 唐山 063009）

對國內外混凝土抗火性研究中力學性能研究成果進行了總結。論述了混凝土的各項力學性能，包括抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、高溫下混凝土的耦合本構關系等方面的內容。此外提出了一些問題，主要是火災下、力和溫度共同作用下、多軸作用下等方面的材料高溫性能研究不足。最后提出了高溫下混凝土力學性能研究方向，即建立更多的耦合本構關系模型，重點研究高溫下多向應力作用下混凝土及鋼材的力學性能。

火災；混凝土；強度；變形

通常高溫下與高溫后鋼筋和混凝土的力學性能具有比其常溫性能更大的隨機性。為促進混凝土結構抗火研究從目前確定性階段向隨機概率階段推進，必須從材料層次定量刻畫其隨機高溫特性。砼的高溫性能主要取決于其組成材料的礦物化學成分、配合比和含水量等因素，還因為研究人員所用試驗設備、試驗方法、試件的尺寸和形狀，以及加熱速度和恒溫時間等的不同而有較大差別。

1 抗壓強度

國內外眾多學者通過大量的試驗研究［1，2，3］，對火災時混凝土的抗壓強度變化進行歸納總結，得出了混凝土抗壓強度在高溫過程中的變化規律。當溫度低于250℃時，混凝土的抗壓強度變化不明顯；溫度介于300℃～400℃時，混凝土強度開始下降；當溫度高于550℃時，混凝土內部裂縫開始發展，抗壓強度下降加快；溫度超過900℃時，混凝土抗壓強度降至很小。

2 抗拉強度

國內外的學者測定高溫作用下混凝土的抗拉強度普遍采用劈裂試驗法。王崢［4］采用國家重點實驗室的GXW1000A型高溫環境箱對30個100mm×100mm×100mm的立方體試件加熱，分別測定不同高溫作用下的混凝土抗拉強度與常溫下對比。并且用最小二乘法的原則，歸納出了抗拉強度與溫度的關系。得出的主要結論是抗拉強度隨溫度升高而降低的變化規律十分明顯，但是高溫下混凝土的抗拉強度與抗壓強度變化規律不同，所以抗拉強度和抗壓強度的比值不是常數值。

胡翠平［5］對62組標準混凝土立方體試塊進行抗拉劈裂試驗得出冷卻的高溫后混凝土試件與高溫作用前抗拉強度相對比值與溫度關系圖。并對折線進行回歸分析，確定高溫后抗拉強度相對值與過火溫度關系。胡翠平的研究結果表明噴水冷卻后比自然冷卻后混凝土的抗拉強度低，這對工程火災事故中的噴水救火方式有很大的建議性作用。

3 彈性模量

4 高溫下混凝土的耦合本構關系

4.1 恒溫下應力產生的應變ε0。采用先升溫至恒定溫度，然后加載至試塊破壞的方法，對不同溫度下混凝土試塊進行試驗。

4.2 恒載下溫度產生的應變εT。在相同溫度下，混凝土的自由膨脹應變和應力下的溫度應變的差值稱為瞬態熱應變。瞬態熱應變數值很大，而且在升溫的即時出現，成為混凝土高溫變形的主要部分，對結構的應力重分布或應力松弛的影響很大，在結構的高溫分析中應重點考慮。

4.4 高溫本構關系耦合。高溫作用下混凝土的本構關系相比較常溫下十分復雜，高溫的本構關系需要由應力、溫度、時間、應變等至少4個因素來確定。而在進行鋼筋混凝土結構的高溫（抗火）分析時，必須考慮混凝土所經歷的不同溫度-應力途徑對變形的影響，采用合理的耦合本構關系，才能得到準確的研究溫度應力松弛和內力重分布，獲得可信的結果。

5 結論

混凝土高溫下的耦合本構關系一直是國內外研究的熱點，研究高溫下混凝土的力學性能首先必須解決實際問題中的內力重分布，綜合研究高溫時應力、應變、溫度、時間等因素。目前我國在這一方面研究還不全面，應該建立更多的耦合本構關系模型，例如粘彈性本構模型、粘塑性本構模型、基于損傷的本構模型，重點研究高溫后基于損傷和破壞理論的本構關系。

雖然關于材料的高溫力學性能的研究取得了不少成績，但是實際結構火災中材料常常處于多向應力狀態，為了準確地進行結構火災反應分析，研究高溫下多向應力作用下混凝土及鋼材的力學性能是必要的，這將為結構的三維非線性有限元分析奠定堅實的基礎。但到目前為止，國內外有關高溫下與高溫后混凝土力學性能的研究結果幾乎都是針對單向受力情況，高溫下多軸力學性能的研究成果只見到極少的文獻報道，還有待進一步深入研究。

［1］吳波，袁杰，王光遠.高溫后高強混凝土力學性能的試驗研究［J］.土木工程學報， 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］宿曉萍， 吳波， 袁杰. 高溫（非均勻溫度場）后約束高強混凝土力學性能的理論研究［J］. 哈爾濱建筑大學學報，2002，35（2）：21-25.

［4］王崢， 宋玉普. 高溫對混凝土抗拉強度與黏結強度影響的試驗研究［J］. 混凝土， 2010，8：51-53.

TU375.3

A

1003-5168（2015）11-113-01