混凝土在火災作用下的變化與檢測方法

李新輝

摘要：在火災作用下，混凝土和鋼筋力學的性能會發生變化，進而引起混凝土柱、梁、樓板、墻體的受損。為此，本文應用ABAQUS 軟件對混凝土的高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、骨料類型、升溫時間、含水率等進行非線性高溫反應分析，了解各個參數對混凝土溫度場的影響規律和火災作用下鋼筋混凝土構件受損及承載力降低因素，提出火災后混凝土的檢測和鑒定方法。

關鍵詞：混凝土；火災；抗震性能；溫度場；檢測

火災的發生會使得出現溫度的升高，在溫度的持續升高下混凝土的力學性能會出現不同程度的降低。在高溫作用下，混凝土構件的承載力也深受溫度的影響，在溫度升高下，極限彎矩減小。火災作用下混凝土構件溫度場是分析混凝土 構件抗火性能、損傷分析、指標評定的重要基礎。在分析混凝土結構抗火性能的時候需要對混凝土結構溫度場進行分析。為此，文章主要應用有限元分析軟件ABAQUS 對鋼筋混凝土梁在高溫作用下的溫度場進行非線性瞬間分析，從高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、骨料類型、升溫時間、含水率等參數具體分析火災對混凝土梁溫度場的影響。

一、混凝土結構構件溫度場

混凝土結構構件溫度場的分析工作是進行結構抗火性能研究的重要基礎，逐漸引起了建筑工程結構抗火領域研究人員 關注。常見的混凝土結構溫度場研究方法有兩種，一種是理論分析，另外一種是試驗操作分析。其中，試驗操作方法所耗費的時間較長，所需要的資金消耗較大，理論研究分析在某種程度上杜絕了操作不便的情況。理論分析的應用能夠對相對穩態的溫度場傳熱問題進行細致的剖析。但對于大多數的火災升溫瞬態傳熱問題則是沒有明確的解釋，一般采用數值分析方法。

二、混凝土結構構件溫度場數值模擬及分析

（一）混凝土結構構件溫度場數值模擬概況

文章所選擇的數值模型是截面尺寸bxh=200mmx300mm，長度L=3000mm的鋼筋混凝土結構。在對混凝土構件溫度場分析的時候假設混凝土各個構件的截面和使用材料是完整、連續的（選擇的材料不存在開裂和表皮脫落問題）。混凝土結構構件溫度場數值模擬操作需要應用軟件ABAQUS 中的八節點線性傳熱六面體單元。基于在混凝土構件中，鋼筋占據的小比例，鋼筋導熱系數較大，為此，在實驗操作中可以不考慮鋼筋對混凝土結構的影響。

（二）混凝土結構構件梁截面溫度場影響分析

1.受火方式

火災的發生具有不確定、不穩定、波及范圍廣的特點，建筑混凝土結構在火災中的受火方式分為以下三種：一面受火、兩面受火、三面受火。在火災環境下，建筑混凝土結構梁截面中心點位置上的溫度也會發生相應的變化。在火災環境下，不同時間范圍內混凝土結構構件梁截面對稱軸25mm位置上的變化情況如圖三所示。經過實踐研究證明，火災發生的時候，對建筑物的梁截面溫度場有著比較大的影響，建筑混凝土截面除了兩面受火，其他受火方式作用下的溫度分布也呈現出對稱的局面。受火面距離越遠，相應的溫度就越低，混凝土結構梁截面中心點、截面豎向對稱軸距離底面25mm的位置上是受火的初期，不同受火方式對混凝土截面溫度場的影響不大，但是在火逐漸變大下，受火面的數量對截面溫度場的影響越來越大。

2.截面尺寸

為了能夠更好的分析火災發生強弱對混凝土建筑結構和截面的影響，在操作的時候可以通過改變混凝土梁截面尺寸大小來分析判斷。綜合各種分析結果發現，不同截面尺寸距離受火底面較近點的溫度基本相同，在混凝土截面高度的增加下，混凝土截面尺寸對混凝土溫度場的影響也相應的增加，切在截面豎向對稱軸距離底面300mm位置上的溫度差最大。

3.骨料類型

在同樣的受火條件下，在同樣位置上的建筑梁截面骨料溫度高低不同，其中硅質骨料溫度高，輕質骨料混凝土溫度低、質量差。在混凝土梁截面高度不斷增加下，受不同巖石骨料配比成的混凝土導熱系數不同，溫度差也會相應的增加，且一般材料骨料混凝土要比鈣質混凝土導熱數值高。

4.含水率

在較高溫度的影響下，混凝土構件中水分蒸發會隨著物質的變化發生變化，由此對混凝土內部溫度變化產生了深刻的影響。含水率對溫度場的影響比較復雜，為此，文章結合實際情況應用科學的方法分析建筑混凝土在100-200攝氏度環境下的熱容，通過熱容進一步了解含水率度對建筑混凝土溫度場產生的影響。含水率越高，在同樣受火時間內截面的溫度就會變低，含水率影響混凝土截面溫度——時間曲線在100攝氏度-200攝氏度之間的變化最大。在分析這種現象之后總結出混凝土溫度在超過100攝氏度的時候，內部的一些自由水會轉變為水蒸氣，這些水蒸氣會從微小的孔隙中帶走多余的成分，因而在溫度是100攝氏度左右的時候，混凝土截面曲線變化趨于平緩，可見，含水率對梁截面周圍點的溫度影響不大。

三、混凝土結構構件在火災下的受損情況以及承載力降低分析

（一）混凝土結構構件在火災下的受損情況

第一，梁。混凝土梁在火災作用下處于三面受火的狀態，大多是梁底部直接受火，受火災影響后，建筑梁縱向鋼筋會出現裂縫，新澆筑混凝土底面也會出現剝落的現象。第二，鋼筋混凝土柱。鋼筋混凝土柱在火災中四個面都處于受火的狀態，破壞的時候受損比較嚴重，產生的裂縫也比較深。第三，板和墻。在火災中，樓板、墻位置比較容易受損，在火災的影響下，短時間內就能達到600攝氏度，表面會出現裂縫。

（二）混凝土結構構件在火災下的承載力降低分析

在建筑混凝土平均溫度比較高的情況下，如果火災溫度高、持續時間長，建筑物自身抗震能力也會被降低。在這樣的情況下，建筑物如果應用了質量比較輕的混凝土，溫度高低變化的影響會在一定程度上降低構件的抗壓強度，而應用硅質混凝土高溫后的抗壓強度降低程度達到最大。

四、混凝土結構構件在火災在的檢測和鑒定

（一）檢測

第一，外部檢測。混凝土結構的外部檢測要注重查看構件的表面受損情況，具體表現在混凝土表面的裂紋、疏松情況、構件變形等，同時還要評估火災的溫度，推斷構件受損的大體程度。第二，取樣檢測。構件損傷檢測結果是混凝土結構可靠的重要依據，因此在操作的時候要分類取樣，同時考慮溫度、混凝土強度、鋼筋力學指標信息。

（二）鑒定

火災發生之后需要檢驗建筑物的可靠度，首先鑒定建筑物的危險度，提出相應的應急預案。其次，還需要對火災間接帶來的構件損傷等進行鑒定，加強對節點、柱端破損現象的檢查。再次，做好火災直接損傷構件的鑒定。對混凝土外部構件的檢測可以通過敲擊、檢查是否存在碳化現象的方式進行，如果發現了輕微的裂紋，需要相關人員及時修補。如果混凝土的表面出現了微微的紅色、不存在裂縫和碳化現象，在這個現象之后火災的溫度往往達到了500攝氏度，建筑構件的強度下降。

五、結語

綜上所述，建筑物在經過火災之后，其承載力、剛度等伴隨火災溫度的變化都會發生不同程度的降低，抗震性能也會降低。為此，需要相關人員結合火災后建筑物的受損情況來采取相應的加固措施，有效恢復建筑物的使用性。基于有限元軟件選擇適合的參數，對火災下鋼筋混凝土梁溫度場進行非線性高溫反應分析，了解到混凝土的高溫條件下不同受火方式、截面尺寸、骨料類型、升溫時間、含水率的變化規律，旨在為火災作用下混凝土結構加固和處理提供重要支持。

參考文獻：

肖科.火災下預應力混凝土空心板的抗剪性能分析[J].消防科學與技術，2017，（04）：479.

鄭文忠，侯曉萌，王英.混凝土及預應力混凝土結構抗火研究現狀與展望[J].哈爾濱工業大學學報，2016，（12）：1-18.

張玉，李珠，馬鋼.火災下玻化微珠保溫混凝土梁的抗彎承載力的分析與計算[J]. 太原理工大學學報，2015，（05）：548-552.