浅议钢筋混凝土结构的耐火性能建筑科学SCIENOE&TECHNOLOGY皿圆浅议钢筋混凝土结构的耐火性能①郭亮(广东省揭阳市公安消防支队广东揭阳522031)摘要:建筑构件在火灾高温的作用下,内力产生剧烈的重分布,结构发生变形,使得构件的力学性能降低,从而导致整个结构的承裁能力和安全性能受到影响,甚至可能会引起建筑物的破坏或饲塌.文章通过分析钢筋混凝土结构的热性能和在火灾高温环境中的行为,总结钢筋混凝土结构在火灾高温环境下承裁能力和结构的安全性受到的影响,探讨提高钢筋混凝土结构耐火性能的设计方法.关键词:钢筋混凝土结构耐火中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)O8(a)--O069--02近年来,社会经济的高速增长推动了城市建设快速发展,建筑物呈现高层化,功能复杂化的发展趋势,建筑火灾发生的频率不断增加,规模不断扩大.建筑物中,钢筋混凝土结构的建筑物占的比例最高.相比其他结构形式的建筑物,钢筋混凝土结构的建筑物耐高温性能好,在火灾作用下,结构稳定性高.但是,火灾的高温仍对钢筋凝土结构的承载能力产生较大影响,火灾的高温作用会导致结构受到破坏,甚至建筑物倒塌_l1.2003年衡阳"11.3"火灾足以说明问题.笔者就钢筋混凝土结构的耐火性能和火灾对钢筋混凝土结构的危害谈点初浅的分析,供参考.1钢筋混凝土结构在火灾中所处环境的分析钢筋混凝土结构在火灾中所处的环境即火灾在发生,发展,结束的全过程是如何影响钢筋混凝土结构的,范围如何,温度如何等.建筑火灾可简单分为初起阶段,发展阶段,下降阶段.在初起阶段,火灾属于局部燃烧,火灾环境温度一般较低.在火灾的发展阶段,燃烧范围由起火区域向邻近区域蔓延,直至整栋建筑I2】.在此阶段,钢筋混凝土构件受到火焰的直接灼烧和高温烟气的热作用,环境最高温度可达1000℃～l200℃[31.在火灾的下降阶段,环境温度不断降低,钢筋混凝土结构构件由于温度的变化产生较大的内部应力,依然受到火灾的影响.2钢筋混凝土结构在火灾中的行为分析研究钢筋混凝土结构的耐火性能,重点是研究钢筋混凝土结构的整体和各个构件在火灾高温的作用下产生怎样的物理变化和化学变化,结构受力和形变如何,承载性能如何改变.因混凝土的热惰性性质,火灾高温下,钢筋混凝土结构整体体现热惰性,即钢筋混凝土结构在高温环境中,其内部各个部分的温度由于受热传导速度的影响而各不相同,温度的高低与其处在火灾环境中的时间,受到火灾高温的形式和本身构件的形式等因素有关….2.1混凝土的高温特性及火灾对混凝土结构的影响混凝土是水泥与骨料的混合物,有较大的抗压强度,高温下将产生分解,力学性能和热学性能也随之改变.当混凝土的温度达到200℃时,混凝土中的水分子开始分离.当混凝土的温度达到300℃时,混凝土中的硅酸钙和铝酸钙等物质开始脱水.当混凝土的温度达到6O0℃时,混凝土中氢氧化钙发生脱水,开始分解,混凝土结构失效,强度大幅下降l5_.火灾中,混凝土主要受到两种形式的作用:一种是火焰对钢筋混凝土构件的直接烧损,使混凝土构件表面因高温开裂,其内部也因温度应力产生裂隙;另一种是火灾的持续高温作用使得混凝土构件由于温度变化不均匀产生较大内力,造成构件发生严重开裂和破坏【.2.2钢筋的高温特性及火灾对钢筋的影响钢筋是钢筋混凝土结构的主要受力构件,其在高温下的力学性能决定了钢筋混凝土结构的强度和耐火性能.钢筋混凝土结构的钢筋材质一般采用普通低碳钢,当温度达到250℃时,钢材的抗拉强度和塑性随着温度的升高而降低,钢材呈现脆性.当温度达到350℃时,钢材屈服强度只有一般情况下的50%.当温度达到520℃时,钢材基本失去其所有的强度[71. 但是,由于钢筋混凝土结构构件表面一定厚度的混凝土保护层对钢筋的保护作用,使得通常钢筋混凝土构件中的钢筋在火灾整个过程中的温度低于520℃,钢筋的力学性能受到的影响不是很大.但是,实验表明{,火灾中预应力钢筋在火灾温度达到6O0oC以上时,钢筋内部结构发生改①作者简介:郭亮(1982一),男,辽宁锦州人,助理工程师. 变,冷却后强度只有原来的一半,钢筋和构件受火灾的作用性能改变较大,应加以注意.2.3钢筋混凝土结构的材料性能分析钢筋与混凝土的共同工作将两种材料的各自优点相结合,弥补缺点,发挥出超过简单叠加的效果.两者共同工作的基础是两者之间机械咬合产生的作用力.在高温的条件下,混凝土耐火性能好,保护耐火性能差的钢筋.同时,由于混凝土膨胀系数较小,使其在高温环境中与钢筋的咬合更加紧密,相互作用的结合力增大,保证了结构的力学性能不会降低.2.4火灾对钢筋混凝土结构的影响火灾对钢筋混凝土结构的破坏可分为两种形式:一种形式是直接灼烧造成伤害,另一种是结构性能破坏.通常情况下,火焰的直接灼烧使钢筋混凝土构件的表层温度迅速升高,但构件的内部因表层混凝土的热惰性而升温较慢,温度不高.在火灾撤离后,构件温度下降,由于构件表面混凝土温度变化大,收缩量较大,会产生较多的龟裂[10】.火灾对钢筋混凝土结构的结构性破坏主要原因是高温对钢筋混凝土构件产生温度应力,使构件产生变形,破环了构件的整体性,降低了构件的承载能力.钢筋混凝土结构的耐火性能是由建筑物的所有结构构件的耐火性能决定的.其中,楼板由于厚度较小耐火性能最差,其燃烧性能和耐火极限基本可以代表整个结构的耐火性能,我国现行的防火设计规范选择楼板作为确定建筑物耐火等级的基准.现以楼板为例,根据试验结果…】,对钢筋混凝土结构在火灾中受到的影响进行分析:(1)当钢筋混凝土楼板的表面温度小于300oC时,楼板表面基本完好,颜色变化不大;(2)当钢筋混凝土楼板的表面温度在300℃～500℃之间时,楼板表面粉刷层开始脱落,但无横向裂缝或纵向裂缝;(3)当钢筋混凝土楼板的表面温度大于500℃时,楼板粉刷层全科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION69 部剥落,产生大量裂缝,混凝土保护层爆落露出配筋.因为楼板的厚度较小,升温较快,刚度随温度的升高而迅速下降,产生大幅变形,受到破坏严重.3提高钢筋混凝土结构耐火性能的方法为保障人们的生命财产安全,钢筋混凝土结构建筑物的耐火性能必须保证火灾中,建筑结构在人员疏散逃生和消防人员灭火扑救过程中不会失效.因此钢筋混凝土结构的耐火设计必须保证在预设的火灾强度下,结构不会达到耐火极限.综合钢筋混凝土结构的整体耐火性能和各构件,材料在火灾高温中的力学特性,笔者认为可从以下几个方面提高构件和结构的耐火性能:一是适当增大构件的混凝土保护层厚度,以保护钢筋保持较低温度;二是加大构件截面尺寸以增强构件的刚度,三是在节点和剪力较大的部位提高配筋率,提升构件的抗剪抗拉性能【.参考文献【1】天津大学,同济大学,东南大学[编】,清华大学[审】.高等学校教材.混凝土结构【M】.北京:中国建筑工业出版社,2002, 8.[2]李晓东,董利,安锋.钢筋混凝土结构火灾研究综述【J】.青岛建筑工程学院学报,2005,26:19～21.【3】胡克旭,朱伯龙.结构受火灾作用的全过程分析方法[J】.四川建筑科学研究, 1996(1),29～34.4谭巍.高温(火灾)条件下钢结构材料性能研究【J】.工业建筑,2000,30:61～63. 【5】李国强,陈凯,蒋首超,等.高温下Q345 钢的材料性能试验研究[J】.建筑结构, 2001,31(1):53～55.【6]董利,胡海涛.高温时高强混凝土瞬态热应变的试验研究【J】.建筑结构, 2002,23(4):32～35.[7】苏娟,王振清,白丽丽,等.四面受火钢筋混凝土柱抗火性能分析[J】.哈尔滨工程大学,2007,28(12):1326～l330.【8]宋晓勇,邹银生,涂文戈,等.受火钢筋混凝土柱截面极限承载力研究【J】.建筑科学与工程,2005,22(4):6l～64.[9】赵金城.高温下钢结构压弯构建的整体稳定极限状态….钢结构,1998,13(8):31～34.建筑科学【1O】蒋首超,李国强,周宏宇.钢一混凝土组合楼盖抗火性能的试验研究[J】.建筑结构,2004,25(3):45～50.[11]SwedishBuildingCenter,HighPer- formanceConcreteStructures--Design Handbook,ASwedishProgramforRe—searchandDevelopment,Stockholm, Sweden.2000.[12】姚亚雄,朱伯龙.钢筋混凝土框架结构火灾反应分析【J】.同济大学,1997,25(3):255～261.(上接68页)用头脑风暴法对其分析进行汇总分析列表打分.建立准则层判断矩阵见表3所示.^=5.126CI=0.032RI=1.12CR=0.028<0.1满足一致性要求.用头脑风暴法对人,材,机,法,环五因素再分析并进行打分汇总列表,建立方案层判断矩阵.具体见表4(人),表5(材),表6 (机),表7(法),表8(环)所示.^一"CI=———_=0.O193一l查表RI=0.58C,CR面0?033<0?1满足一致性要求=4.139CI=0.013RI=0.9CR=0.014<0.1满足一致性要求.=3.0l8CI=O.0092RI=0.58CR=0.0l5<0.1满足一致性要求=3CI=0RI=0.58CR=0<0.1满足一致性要求.^f=3.038CI=0.019RI=0.58CR=0.033<O.1满足一致性要求.对于本例,加固工程混凝土影响因素的总排序计算如表9所示.从层次分析的结果可知,影响加固混凝土的质量相关因素的重要性排序结果为:人员素质,材料管理,施工方法,施工机械和施工环境.根据得到加固混凝土质量影响因素相关重要性的排序结果,对其影响的各个因素的重要性进行有针对性的过程控制和质量管理,对在实际施工的过程中,可能存在的问题制定有效保证措施.建立一套完整的质量保证体系,对整个施工过程贯彻PDCA循环的检查制度.最后通过对其质量验收和检测发现达到了良好的质量效果.从而验证了层次分析理论在混凝土加固领域应用的可行性.4意义我国目前的基础建设每年投资高达2万亿元人民币,30～50年以后这些工程也将进入维修期,因此加固改造具有广阔的发展前景.分析影响混凝土加固的质量的因素重要性有较强的实际意义?.参考文献【I】韩继云,费毕钢,段向胜.建筑物检测鉴7O科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 定加固改造技术与工程实例【M】.化学工业出版社,2008,2.[2】混凝土结构加固设计规范.GB5037—2006[S】.中国建筑工业出版社,2006:2.【3】混凝土结构加固技术规范【S】.CECS25,90:15.【4】杜栋,庞庆华,吴炎.现代综合评价方法与案例精选【M】.清华大学出版社,2008,6:35.[5】混凝土结构工程施工质量验收规范,GB5O2042002[S].[6]6建筑工程质量验收统一标准,GB50300-200I[S】.。