近年來, 社會經濟的高速增長推動了城市建設快速發展, 建筑物呈現高層化、功能復雜化的發展趨勢, 建筑火災發生的頻率不斷增加、規模不斷擴大。建筑物中, 鋼筋混凝土結構的建筑物占的比例最高。相比其他結構形式的建筑物, 鋼筋混凝土結構的建筑物耐高溫性能好, 在火災作用下, 結構穩定性高。但是, 火災的高溫仍對鋼筋凝土結構的承載能力產生較大影響, 火災的高溫作用會導致結構受到破壞、甚至建筑物倒塌[1]。2003年衡陽“11.3”火災足以說明問題。筆者就鋼筋混凝土結構的耐火性能和火災對鋼筋混凝土結構的危害談點初淺的分析, 供參考。
1 鋼筋混凝土結構在火災中所處環境的分析
鋼筋混凝土結構在火災中所處的環境即火災在發生、發展、結束的全過程是如何影響鋼筋混凝土結構的, 范圍如何、溫度如何等。建筑火災可簡單分為初起階段、發展階段、下降階段。在初起階段, 火災屬于局部燃燒, 火災環境溫度一般較低。在火災的發展階段, 燃燒范圍由起火區域向鄰近區域蔓延, 直至整棟建筑[2]。在此階段, 鋼筋混凝土構件受到火焰的直接灼燒和高溫煙氣的熱作用, 環境最高溫度可達1000℃~1200℃[3]。在火災的下降階段, 環境溫度不斷降低, 鋼筋混凝土結構構件由于溫度的變化產生較大的內部應力, 依然受到火災的影響。
2 鋼筋混凝土結構在火災中的行為分析
研究鋼筋混凝土結構的耐火性能, 重點是研究鋼筋混凝土結構的整體和各個構件在火災高溫的作用下產生怎樣的物理變化和化學變化, 結構受力和形變如何, 承載性能如何改變。因混凝土的熱惰性性質, 火災高溫下, 鋼筋混凝土結構整體體現熱惰性, 即鋼筋混凝土結構在高溫環境中, 其內部各個部分的溫度由于受熱傳導速度的影響而各不相同, 溫度的高低與其處在火災環境中的時間、受到火災高溫的形式和本身構件的形式等因素有關[4]。
2.1 混凝土的高溫特性及火災對混凝土結構的影響
混凝土是水泥與骨料的混合物, 有較大的抗壓強度, 高溫下將產生分解, 力學性能和熱學性能也隨之改變。當混凝土的溫度達到200℃時, 混凝土中的水分子開始分離。當混凝土的溫度達到300℃時, 混凝土中的硅酸鈣和鋁酸鈣等物質開始脫水。當混凝土的溫度達到600℃時, 混凝土中氫氧化鈣發生脫水, 開始分解, 混凝土結構失效, 強度大幅下降[5]?；馂闹? 混凝土主要受到兩種形式的作用:一種是火焰對鋼筋混凝土構件的直接燒損, 使混凝土構件表面因高溫開裂, 其內部也因溫度應力產生裂隙;另一種是火災的持續高溫作用使得混凝土構件由于溫度變化不均勻產生較大內力, 造成構件發生嚴重開裂和破壞[6]。
2.2 鋼筋的高溫特性及火災對鋼筋的影響
鋼筋是鋼筋混凝土結構的主要受力構件, 其在高溫下的力學性能決定了鋼筋混凝土結構的強度和耐火性能。鋼筋混凝土結構的鋼筋材質一般采用普通低碳鋼, 當溫度達到250℃時, 鋼材的抗拉強度和塑性隨著溫度的升高而降低, 鋼材呈現脆性。當溫度達到350℃時, 鋼材屈服強度只有一般情況下的5 0%。當溫度達到520℃時, 鋼材基本失去其所有的強度[7]。但是, 由于鋼筋混凝土結構構件表面一定厚度的混凝土保護層對鋼筋的保護作用, 使得通常鋼筋混凝土構件中的鋼筋在火災整個過程中的溫度低于520℃, 鋼筋的力學性能受到的影響不是很大。但是, 實驗表明[8], 火災中預應力鋼筋在火災溫度達到600℃以上時, 鋼筋內部結構發生改變, 冷卻后強度只有原來的一半, 鋼筋和構件受火災的作用性能改變較大, 應加以注意。
2.3 鋼筋混凝土結構的材料性能分析
鋼筋與混凝土的共同工作將兩種材料的各自優點相結合, 彌補缺點, 發揮出超過簡單疊加的效果。兩者共同工作的基礎是兩者之間機械咬合產生的作用力[9]。在高溫的條件下, 混凝土耐火性能好, 保護耐火性能差的鋼筋。同時, 由于混凝土膨脹系數較小, 使其在高溫環境中與鋼筋的咬合更加緊密, 相互作用的結合力增大, 保證了結構的力學性能不會降低。
2.4 火災對鋼筋混凝土結構的影響
火災對鋼筋混凝土結構的破壞可分為兩種形式:一種形式是直接灼燒造成傷害, 另一種是結構性能破壞。通常情況下, 火焰的直接灼燒使鋼筋混凝土構件的表層溫度迅速升高, 但構件的內部因表層混凝土的熱惰性而升溫較慢、溫度不高。在火災撤離后, 構件溫度下降, 由于構件表面混凝土溫度變化大, 收縮量較大, 會產生較多的龜裂[10]?；馂膶︿摻罨炷两Y構的結構性破壞主要原因是高溫對鋼筋混凝土構件產生溫度應力, 使構件產生變形, 破壞了構件的整體性, 降低了構件的承載能力。
鋼筋混凝土結構的耐火性能是由建筑物的所有結構構件的耐火性能決定的。其中, 樓板由于厚度較小耐火性能最差, 其燃燒性能和耐火極限基本可以代表整個結構的耐火性能, 我國現行的防火設計規范選擇樓板作為確定建筑物耐火等級的基準?，F以樓板為例, 根據試驗結果[11], 對鋼筋混凝土結構在火災中受到的影響進行分析: (1) 當鋼筋混凝土樓板的表面溫度小于300℃時, 樓板表面基本完好, 顏色變化不大; (2) 當鋼筋混凝土樓板的表面溫度在300℃~500℃之間時, 樓板表面粉刷層開始脫落, 但無橫向裂縫或縱向裂縫; (3) 當鋼筋混凝土樓板的表面溫度大于500℃時, 樓板粉刷層全部剝落, 產生大量裂縫, 混凝土保護層爆落露出配筋。因為樓板的厚度較小, 升溫較快, 剛度隨溫度的升高而迅速下降, 產生大幅變形, 受到破壞嚴重。
3 提高鋼筋混凝土結構耐火性能的方法
為保障人們的生命財產安全, 鋼筋混凝土結構建筑物的耐火性能必須保證火災中, 建筑結構在人員疏散逃生和消防人員滅火撲救過程中不會失效。因此鋼筋混凝土結構的耐火設計必須保證在預設的火災強度下, 結構不會達到耐火極限。綜合鋼筋混凝土結構的整體耐火性能和各構件、材料在火災高溫中的力學特性, 筆者認為可從以下幾個方面提高構件和結構的耐火性能:一是適當增大構件的混凝土保護層厚度, 以保護鋼筋保持較低溫度;二是加大構件截面尺寸以增強構件的剛度;三是在節點和剪力較大的部位提高配筋率, 提升構件的抗剪抗拉性能[12]。
摘要：建筑構件在火災高溫的作用下, 內力產生劇烈的重分布, 結構發生變形, 使得構件的力學性能降低, 從而導致整個結構的承載能力和安全性能受到影響, 甚至可能會引起建筑物的破壞或倒塌。文章通過分析鋼筋混凝土結構的熱性能和在火災高溫環境中的行為, 總結鋼筋混凝土結構在火災高溫環境下承載能力和結構的安全性受到的影響, 探討提高鋼筋混凝土結構耐火性能的設計方法。
關鍵詞：鋼筋,混凝土,結構,耐火
參考文獻
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