(商丘工學院 河南 商丘 476000)

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混凝土結構防火性能研究

熊濤張智慧

(商丘工學院河南商丘476000)

現在城市建筑物大部分都采用混凝土結構，它使用范圍非常廣泛，而城市火災的破壞程度與混凝土結構的防火性能息息相關。本文首先對混凝土結構相關理論進行概述，闡述混凝土結構的概念，從素混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土三個方面分析混凝土結構的分類。然后展開混凝土結構界面溫度場的研究，主要研究火災溫度的確定方法，材料的熱工性能，然后分別研究混凝土結構中混凝土和鋼筋在高溫條件下的力學性能。

混凝土;鋼筋;高溫;構件;結構

一、引言

無論在哪里火災的危害都極大，對于城市而言建筑物火災給人民財產和生命帶來嚴重的威脅。通過研究國內外關于火災的案例發現，城市建筑混凝土結構在設計時往往因為防火級別不夠，導致重大火災事故的發展。

二、混凝土結構相關理論概述

(一)混凝土結構的概念

混凝土結構以混凝土為主制作的結構。包括素混凝土結構、鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構等。和其他材料的結構相比，混凝土結構的優點具體體現在以下幾個方面：整體性好，可灌筑成為一個整體；可模性好，可灌筑成各種形狀和尺寸的結構；耐久性和耐火性好;工程造價和維護費用低。

(二)混凝土結構的分類

1.素混凝土。素混凝土是針對鋼筋混凝土、預應力混凝土等而言的。素混凝土是鋼筋混凝土結構的重要組成部分，由水泥、砂(細骨料)、石子(粗骨料)、礦物參合料、外加劑等，按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。

2.鋼筋混凝土。當在混凝土中配以適量的鋼筋，則為鋼筋混凝土。鋼筋和混凝土這種物理、力學性能很不相同的材料之所以能有效地結合在一起共同工作，主要靠兩者之間存在粘結力，受荷后協調變形。再者這兩種材料溫度線膨脹系數接近，此外鋼筋至混凝土邊緣之間的混凝土，作為鋼筋的保護層，使鋼筋不受銹蝕并提高構件的防火性能。

3.預應力混凝土。預應力混凝土是在混凝土結構構件承受荷載之前，利用張拉配在混凝土中的高強度預應力鋼筋而使混凝土受到擠壓，所產生的預壓應力可以抵消外荷載所引起的大部分或全部拉應力，也就提高了結構構件的抗裂度。

三、混凝土結構界面溫度場的研究

當火災發生時混凝土結構防火性能分析條件和火災發生時相同的。都需要從混凝土結構的強度和變形兩個方面來分析，具體而言就是分析其承載能力和變形能力。混凝土結構的高溫性能是研究其防火性能的重要先決條件。

混凝土結構內部有的只有水泥是沙，有的含有鋼筋和水泥石沙。當發生火災時，在高溫的作用下，混凝土中的水泥石和鋼筋發生收縮，其他材料發生膨脹，在同一結構中，有幾類材料強度不同，導致混凝土結構內部產生裂縫。當混凝土機構表面溫度超過400℃時，其內部的Ca(OH)2，脫水，分解成CaO，混凝土結構出現嚴重變形。當溫度超過600℃時，混凝土結構強度急劇減弱。

(一)火災溫度的確定方法

城市建筑物火災需要經歷幾個階段，其中燃燒階段是本文研究的重點。在燃燒階段時，建筑物混凝土結構周邊的環境越高，建筑物損毀的程度月到。混凝土結構的火災程度跟幾個參數密切相關，例如建筑物裝修材料，相關可燃物的大小和位置擺放；建筑物室內的戶型，門窗小面，室內建筑面積大小；還有火災當天的溫度，通風情況。

通過研究相關資料發現火宅的標準溫度與時間存在一定的對應關系，在0.5h小時內，溫度從0℃直接幾何式增長到800℃，之后開始溫度開始緩慢的增長，5h時，火災溫度可能達到1100℃。火災發生時，威脅最大的就是可燃物的數量和分布情況，其次高溫對混凝土結構表面的影響。存在一種溫度時間曲線圖，它是研究混凝土防火性能及火災溫度確定最基本的依據。

(二)材料的熱工性能

1.混凝土在高溫下的物理和化學變化。混凝土是由固、液、氣三相構成的非勻質組合材料，各成分在不同溫度下會發生一系列的物理和化學變化，進而影響到材料宏觀的熱工物理和化學變化，使材料宏觀的熱工和力學性能發生變化。

2.混凝土在高溫下的熱工性能。在研究混凝土結構溫度場時，比較從幾個方面展開研究，第一是混凝土結構質量密度，第二混凝土結構的熱膨脹系數，第三是混凝土結構材料單位熱容量，第四是混凝土結構的熱導系數。市場上存在各種各樣的混凝土材料，因此原材料的不同，導致混凝土結構化學成分、組合比例以及含水量也不盡相同。

3.鋼材在高溫下的熱工性能。鋼材的熱工性能隨溫度升高的變化趨勢與混凝土類似。

(三)熱傳導方程和溫度場的確定

結構在高溫下的溫度場一般不受其內力和變形值的影響，因而可以獨立的先于內里進行分析。

四、構件的高溫性能和抗高溫研究

(一)梁式構件

鋼筋混凝土簡支梁在火災高溫下會產生與常溫下完全不同的橫向裂縫和龜狀裂縫;火災時混凝土梁的使用荷載大小對撓度反應有很大的影響。常溫時屬于適筋的高配筋率簡支梁，高溫后其破壞形態可能轉變為超筋破壞;梁的配筋率越高，高溫后其承載能力的降低幅度也越大。

(二)柱式構件

四面均勻受火條件下，軸壓柱主要因混凝土壓碎而破壞，偏壓柱則主要因側向撓度過大而失效，骨料種類對軸壓柱的影響比偏壓柱要大，但端點約束對偏壓柱的影響比軸壓柱更為顯著。不均勻受火(如三面受火)柱的破壞形態與常溫下截然不同，此時截面的強度中心與幾何中心一般不再重合，常溫下的軸壓柱實際已處于偏壓狀態，最后呈現出與常溫不同的小偏心受壓破壞，且側向極限變形較大，恒載升溫柱比恒溫加載柱的抗火性能要好。

(三)墻式構件

火災作用下混凝土強度較高的墻的變形比混凝土強度較低的墻要小。單面受火時，墻的面內承載力明顯降低，但混凝土強度對面內承載能力影響不大。與彎曲裂縫較多的墻相比，沒有彎曲裂縫或彎曲裂縫較少的墻更容易發生爆裂。鋼筋保護層厚度對墻的承載能力具有顯著影響。

(四)結構抗高溫的構造措施

構造措施對結構抗火性能有重要影響，如合理選擇結構材料、規定構件最小截面尺寸、最小混凝土保護層厚度、配置附加鋼筋、加強鋼筋錨固、延長縱筋的切段長度和埋設長度、妥善處理預制構件的接縫等。

五、結論

研究混凝土結構的防火性能對我國建筑業的蓬勃發展有很重要的意義。本文通過對鋼筋混凝土構件的兩個主要組成部分:鋼筋和混凝土,分別在高溫下和高溫后材料性能的分析、歸納,給出了普通鋼筋、預應力鋼筋及混凝土等結構材料抗高溫的性能規律,希望能為人們研究混凝土及預應力混凝土結構的抗火性能及其損傷評估能提供些幫助。

[1]劉汾濤.碳纖維布加固混凝土梁的高溫性能研究[D].華南理工大學,2010.

[2]李梓汐.粘貼法加固混凝土結構防火試驗研究[D].河北農業大學,2013.

[3]劉汾濤.碳纖維布加固混凝土梁的高溫性能研究[D].華南理工大學,2010.