火災后鋼筋材料性能損失統計研究

嚴建榮　（安徽送變電工程公司，安徽　合肥　230000）

火災后鋼筋材料性能損失統計研究

嚴建榮（安徽送變電工程公司，安徽合肥230000）

研究火災后鋼筋力學性能的變化，對火災后鋼筋的抗拉強度、彈性模量的研究成果進行總結和統計分析。統計結果表明，隨著溫度的上升，鋼筋材料的抗拉強度隨溫度的上升而逐漸衰減，采用不同的冷卻方式對高溫后鋼筋的抗拉強度的衰減有明顯的影響；同時，鋼筋的彈性模量也隨溫度的升高而不斷的衰減，但冷卻方式的變化對其影響較小。

火災；鋼筋；抗拉強度；彈性模量；統計分析；擬合分析

1　概述

近年來隨著建筑物高層化、規模化、功能用途復雜化及密集化程度加劇，火災的發生因素也隨之增加，規模日益擴大。建筑防火作為建筑防火的一個分支，已經引起社會的關注。現在火災時有發生，造成了巨大的人員死傷與財產損失，也留下了許多過火后的建筑物，鋼結構耐火性能差，火災中的鋼結構坍塌較多，鋼筋混凝土結構由于其耐火性能較好，災后多數都能通過加固處理后繼續使用。

對災后鋼筋混凝土結構的研究主要著力于結構材料的損傷程度的確定，主要包括構件溫度場分布情況、鋼筋和混凝土的強度衰減狀況。尤其高強度材料在現代建筑中的應用越來越廣泛，應該引起注意。對于材料過火后的材性損失的分析與確定，為后續的過火后結構加固與重建工作提供可參考的依據。

2　普通鋼筋高溫后特性

鋼筋的抗拉強度是鋼筋性能的重要性能參數，尤其在受過高溫后，鋼筋材料的強度衰減狀況，更是災后受火結構檢測、鑒定的重中之重，為后期的結構加固或拆除提供依據。影響高溫后鋼筋抗拉強度的因素主要有：材料種類、鋼筋常溫強度、高溫后冷卻方式、最不利溫度以及受最不利溫度作用時間。正是由于影響因素的不確定性和難以定量化增加了對過火后鋼筋強度衰減的研究難度。

鋼筋的彈性模量是鋼筋另一個重要性能參數，它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標，對于判斷構件受火災影響后的延性變化和承載力的降低有著重要的意義。鋼筋的抗拉強度和彈性模量受高溫后的折減情況分別見圖1和圖2。

圖1　高溫后普通鋼筋材料抗拉強度折減對比曲線

圖1是高溫后鋼筋材料抗拉強度折減對比曲線，觀察曲線可知：

①圖中曲線分布較為明顯分為兩個部分：一部分位于上方區域，強度折減系數衰減速率較慢［1-2］；第二部分則是分布在下方區域［3］，強度衰減速率明顯較快。經對比文獻試驗方法得知這是由于試驗中對高溫鋼筋的冷卻方式不同引起的，爐內冷卻和自然冷卻狀態下，鋼筋的強度折減較小；而噴水冷卻強度折減很大，當溫度達到700℃時，殘余強度僅相當于常溫下的10%左右，承載力損失嚴重。

②文獻［1］中對不同冷卻方式對鋼筋的強度產生的影響進行分析，指出溫度在700℃以上的空冷相當于正火過程，材料中出現索氏體，使強度稍微提高；溫度在700℃以上的水冷相當于一個淬火過程，材料中會出現馬氏體，強度會有大幅度的提高（1.93倍），但是鋼筋脆性會變得明顯。

③圖中曲線的差異較大，但是整體反映出鋼筋在高溫作用后的強度折減逐漸衰減的變化過程。

圖2　高溫后鋼筋材料彈性模量折減對比曲線

圖2中給出了目前過火后鋼筋彈性模量折減對比曲線，鋼筋的彈性模量隨溫度的上升逐漸衰減，文獻［1］中材料的彈性模量衰減緩慢，當溫度達到800℃時，衰減為常溫下材料抗拉強度的80%左右，衰減不明顯；文獻［6］中鋼筋材料的彈性模量的衰減較文獻［1］的衰減明顯，且在溫度達到600℃左右時，材料的彈性模量呈現急劇下降的趨勢；至溫度達到800℃時，衰減為常溫下材料抗拉強度的40%左右，衰減明顯。

3　過火后普通鋼筋材料材性變化趨勢擬合

過火后鋼筋的抗拉強度、彈性模量折減擬合曲線是建立在對現有的相關方面試驗數據的分類整理基礎上。數據資料均來源于各大高校專業研究文獻，經過擬合后得出可信度95%以上的擬合計算公式。

3.1過火后普通鋼筋抗拉強度衰減

對過火后鋼筋抗拉強度衰減，將收集的實驗數據進行梳理和分類，將實驗數據繪制于圖3中，并進行數據擬合，得到可信度90%的數據擬合公式。且易于應用在工程實踐中應用。

圖3　普通鋼筋抗拉強度折減數據匯總及對比擬合曲線

圖3中的數據是將收集到的相關文獻數據使用數據提取工具提取出實驗數據轉換成excel表格后，對數據進行分類后得到的試驗數據散點圖。

由圖4可以看出，在大量的數據擬合后得到過火后普通鋼筋的抗拉強度衰減趨勢趨于平緩，無明顯的材性質變點。

基于上述統計數據，得出過火后鋼筋抗拉強度變化擬合公式如下。

鋼筋抗拉強度折減系數計算公式：

普通鋼筋抗拉強度折減計算公式：

式中：Ks——鋼筋抗拉強度折減系數

fy，t——鋼筋在高溫冷卻后的抗拉強度

fy——鋼筋常溫下抗拉強度

T——鋼筋受火最高溫度

3.2過火后普通鋼筋彈性模量衰減

圖4是過火后普通鋼筋材料彈性模量衰減數據收集與擬合曲線。

圖4　普通鋼筋彈性模量折減數據匯總及擬合曲線（文獻1-6）

由圖4中擬合曲線可以看出：普通鋼筋彈性模量隨溫度衰減狀況基本與前述的文獻內容吻合，也說明了普通鋼筋材料彈性模量變化是具有普遍性的。

基于上述統計數據，得出過火后鋼筋材料彈性模量變化擬合公式如下。

普通鋼筋彈性模量折減系數計算公式：

普通鋼筋彈性模量折減計算公式：

式中：KE——鋼筋彈性模量折減系數

Eto——鋼筋在高溫冷卻后的彈性模量

Et——鋼筋常溫下彈性模量

T——鋼筋受火最高溫度

4　結論

火災后鋼筋混凝土結構的材料性能在一定程度上均會產生不同程度的降低，這些材性的折損主要受到最不利溫度、材料自身強度以及冷卻方式的影響。

①過火溫度的升高使得鋼筋材料的抗拉強度和彈性模量產生不同程度的衰減。

②不同的冷卻方式對高溫后鋼筋的抗拉強度衰減影響較大，噴水冷卻會導致鋼筋抗拉強度下降明顯。

③普通鋼筋的彈性模量衰減較為穩定平緩，沒有起伏。

本文給出了過火后普通鋼筋材料的抗拉強度及彈性模量折算公式，希望對火災后相關混凝土結構的鑒定與加固提供一定的借鑒及依據。

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［6］余志武，王中強，史召鋒.高溫后新Ⅲ級鋼筋力學性能的試驗研究［J］.建筑結構學報，2005（2）.

TU502

A

1007-7359（2016）04-0276-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.110

嚴建榮（1964-），男，安徽合肥人，畢業于解放軍電子工程學院，助理工程師，國家注冊二級建造師。