火灾作用后钢筋混凝土柱剩余承载力影响因素研究

【摘 要】火灾作用后钢筋混凝土力学构件的性能劣化，导致结构构件承载力降低，影响结构使用性能的发挥。结合目前国内外的理论分析和试验研究，对火灾作用后钢筋混凝土柱剩余承载力影响因素作了分析和归纳，指出影响因素分为荷载效应和结构抗力因素，以指导结构抗火设计和灾后加固。

【关键词】火灾作用；钢筋混凝土柱；剩余承载力

1. 概述

火灾是发生频率高、危害大、损失严重的灾害之一。火灾在给人民生命和财产带来严重损失的同时，也干扰到我国基础设施建设，影响国民经济的发展。钢筋混凝土柱作为结构中的重要竖向承力构件，在火灾作用后构件的变形、承载力、耐久性、抗震性等都受到不同程度损伤，从而降低整体结构的综合抗力，甚至引起结构在正常荷载作用下的倒塌。因此，对钢筋混凝土柱在火灾作用后剩余承载力的影响因素进行研究，一方面能为建筑物抗火概念设计提供理论依据，另一方面为灾后建筑物检测、加固提供理论知道，具有重要现实意义。

2. 火灾高温后材料力学性能

经火灾高温后钢筋混凝土构件力学性能的分析和评估是对结构损伤评估和修复加固的前提。高温作用后，钢筋和混凝土力学性能会发生一系列变化，如弹性模量下降、强度下降、徐变变形增加等，进而结构构件和整体结构抗力衰减。所以分析火灾高温后构件材料力学性能十分必要。

2.1 火灾高温作用后混凝土的力学性能

混凝土是一种复合材料，抗压强度是评价其力学性能的最基本、最重要的一项指标，同时影响着其他力学性能。混凝土组分粗、细骨料和水泥胶结材料的热工性能各不相同，热应力作用下，混凝土构件发生热分解，抗压强度降低。试验表明[1]，混凝土材料高温后强度劣化的主要原因是：高温下水泥石中氢氧化钙脱水生成氧化钙，冷却后重新吸水生成氢氧化钙，致使构件体积膨胀，加剧了混凝土内部结构破坏。

影响高温后混凝土材力学性能的因素众多，但在其强度下降趋势方面，目前得到了一下一致结论[2]：温度在300℃以下时，混凝土抗压强度变化相对较小，随受火温度升高，强度急剧下降；轻质骨料混凝土相比其他混凝土，强度降低幅度较小；浇水冷却的混凝土抗压强度要比自然冷却混凝土抗压强度低。

2.2 火灾高温作用后钢筋的力学性能

钢材成分组成较均匀，火灾高温作用后化学性质较稳定，材料力学性能的离散性小。一般而言，钢筋强度会随温度的提高而降低，但高温后钢筋强度有较大恢复。钢材在高温时微观结构的变化是导致高温作用后钢筋力学性能发生变化的根本原因。当温度不超过600℃时，钢材强度和微观结构的变化很小，当温度超过600℃时，由于晶相的转变和球化作用，高强度的细晶粒转变为强度较低的粗晶粒，造成钢材强度较大损失。

2.3 火灾后钢筋与混凝土的黏结强度

混凝土在高温作用后强度降低，导致钢筋混凝土的黏结强度降低。大量试验和

理论研究表明：高温冷却后，钢筋和混凝土黏结强度受到损伤，强度下降。由于变形钢筋与混凝土咬合力大，其黏结强度远大于光面钢筋，严重锈蚀的钢筋黏结强度要高于新扎钢筋。

3. 火灾高温作用后钢筋混凝土柱剩余承载力影响因素

3.1 火灾升温曲线

在遭遇火灾后，钢筋混凝土材料本身不能燃烧发热。火灾对钢筋混凝土构件的影响表现为火灾使混凝土材料吸入周围空气的热烈而使构件内部温度升高，在构件内部温度分布不均匀。在使材料性能劣化的同时，不均匀的温度分布会使构件截面产生温度应力，造成截面应力重分布。实际建筑物火灾会由于首燃物、起火地点、结构材料等因素的影响，其温度-时间曲线表现出很大随机性。所以，在对钢筋混凝土柱剩余承载力进行评估时，宜使用标准的火灾温度-时间曲线。

3.2 初始荷载作用

研究表明，无初始荷载作用的钢筋混凝土柱灾后剩余承载能力低于有初始荷载作用的钢筋混凝土柱。在初始荷载影响下，原截面压应力有效约束了混凝土升温后的膨胀变形，限制了与应力方向垂直的裂缝的开展。同时，初始荷载作用使得混凝土构件内部发生应力释放和松弛，降低了粗细骨料和水泥浆间黏结力的破坏速率，降低了高温作用时水泥水化物脱水所发生的体积膨胀。因此，有初始荷载的构件承载力较无初始荷载作用的构件要高。

3.3 截面尺寸与温度场

对四面受火的钢筋混凝土不同保护层厚度和不同截面边长的剩余承载力研究表明[2]：增大柱截面尺寸，可以显著提高柱的承载能力，而保护层厚度的增加影响不大。这种效应的原因是：在温度场主要对混凝土产生影响，随着温度升高构件截面不同深度处历经的最高温度逐渐升高；当温度一定时，截面尺寸越大，截面深处经历最高温度会低于小尺寸截面，从而对混凝土强度的损伤也减弱。

3.4 构件配筋率、长细比和荷载偏心率[3]

在一定范围内，混凝土柱的剩余承载力随配筋率的增加而提高，所以提高柱的纵筋配筋率对改善柱的抗火性能和提高柱的灾后剩余承载能力都是有利的。但当钢筋直径过大时，钢筋的柱表明容易发生爆裂，致使柱火灾荷载作用时的承载力、灾后剩余承载力和抗火性能下降。

经历火灾作用后，构件出现明显软化，刚度下降。构件的极限承载力减小，相应的侧向扰度和轴向位移却显著增加。在其他条件相同的情况下，构件承载力随构件长细比和荷载偏心率的增大而降低。

4. 结语

火灾后钢筋混凝土柱的破坏形态和常温下基本相同。区别是火灾后钢筋混凝土柱所能承受的极限荷载降低，剩余承载力约只有常温下的1/3，刚度退化明显，极限荷载对应的变形显著增大。影响钢筋混凝土柱剩余承载力的因素还有很多，如构件受火面、混凝土强度等级、柱的箍筋配筋率、受火时间等。对火灾后混凝土柱的剩余承载力研究还有许多问题亟待解决：

如对真实火灾模型及火灾中钢筋和混凝土材料力学性能劣化的研究；对火灾中荷载效应对构件力学性能影响的研究；柱的抗火概念设计等，将是以后进一步研究的重点和方向。

参考文献

[1]吴波.火灾后钢筋混凝土结构力学性能[M].北京:科学出版社,2003

[2]王振清，何建.钢筋混凝土结构非线性分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2009

[3]唐跃峰，刘明哲等. 火灾后钢筋混凝土柱剩余承载力研究[J]. 宁波大学学报（理工版）, 2011, 24（4）: 112-116.