摘要：钢筋混凝土结构高温性能研究是进行建筑结构抗火设计及火灾后结构损伤评估与修复加固的基础，因此研究钢筋混凝土构件的耐火极限对建筑物安全性有重要意义。对此，本文针对钢筋混凝土的高温性能进行了研究综述。
关键词：钢筋混凝土结构；高温性能
现在，钢筋混凝土已成为广泛应用的建筑材料。钢筋混凝土具有优良的强度、良好的耐久性和经济性，被广泛用于桥梁、隧道、高层建筑等结构中。混凝土具有可塑性，也越来越广泛地用于异性结构和复杂结构中。但当火灾发生时，结构的材料性能会发生不同程度的损伤，导致关键承重的构件丧失其承载力，最终导致整体结构的倒塌破坏，造成人员伤亡经济损失。因此，钢筋混凝土结构的火灾安全性己成为结构设计中必须考虑的重要因素之一，成为结构安全研究的重点。
1火灾温度场研究
研究温度场是研究钢筋混凝土结构抗火性能的基础，结构内部的温度场对结构的内力、变形和承载力产生很大的影响，而反过来，结构的内力状态、变形和细微裂缝对温度场的影响比较小。因此，温度场的分析可以先于结构内力和变形分析，也可以独立于结构内力和变形分析。
构件内温度场是一个随时间变化的非线性温度场。鉴于实际火灾的复杂性，为了对结构提出统一的抗火要求，对实际火场进行简化近似。目前用于结构温度场分析的火灾升温曲线为ISO834标准升温曲线T= T0+ 345 lg（8t+ 1），式中T指时间t时的炉温，单位℃；T0指加温前炉内温度，单位℃；t指时间，单位min。
2混凝土的高温性能研究
2.1热工性能
钢筋混凝土材料在高温下发生了一系列不同的物理化学变化，表面形成了不同程度的损伤疏松层，造成材料的性能变化。混凝土本身是一种热惰性材料，在火灾作用下，其质量密度、热容、导热系数、热膨胀系数等基本热工性能都随温度升高而呈现非线性的变化。
混凝土的质量密度随温度的升高，先期因失水而减小，后期因体积膨胀而减小，但变化不大，计算时通常取常数2400kg/m3。
热容是指单位质量的材料温度升高1℃时所吸入的热量。混凝土的热容随温度升高而逐渐增大，骨料类型、配合比和水分对其影响都不大。Lie T T[1]通过试验研究总结出混凝土热容的简化计算公式。
混凝土的导热系数受骨料类型、水灰比等因素的影响，随温度的升高而减小。Eurocode 2[2]分别给出了硅质、钙质、轻骨料混凝土的导热系数随温度的变化规律。国内学者陆洲导和时旭东[3-4]等分别通过试验研究和有限元分析，给出了混凝土的导热系数与温度的关系式。
混凝土的热膨胀系数随温度的升高而增大，它与温度场分析无关，只影响结构的内力和温度变形。李卫、南建林、过镇海[5-6]等根据试验资料，归纳出了热膨胀系数的回归公式。
2.2高温力学性能
混凝土的高温力学性能，包括强度和变形性能，是影响结构抗火性能的直接因素。纵观国内外学者的研究，有关混凝土的高温力学性能的成果有：
（1）混凝土的高温抗压强度受强度等级、骨料种类、水灰比等因素的影响，一般混凝土抗压强度随温度升高而降低。钮宏、朱伯龙、陆洲导[7-8]等根据试验给出了混凝土抗压强度随温度的变化关系式。
（2）混凝土的抗拉强度随温度的升高而单调下降，其对结构的高温承载力的影响极小，李卫、过镇海[5]研究了高温下混凝土的强度和变形性能，给出了混凝土抗拉强度与温度的关系式。
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（3）混凝土的弹性模量随温度升高而降低，Marecha 1 JC研究了混凝土弹性模量随温度变化的规律：骨料对弹性模量的影响较大，在降温过程中，弹性模量基本保持高温时的数值不变。
（4）混凝土高温下的应力-应变关系，过镇海、时旭东开展了高温下钢筋混凝土受力性能的试验研究，建议上升段和下降段分别采用三次多项式和有理分式；南建林、过镇海、时旭东[6]研究了混凝土的温度-应力耦合本构关系，并给出任意升温-加载途径下的增量型混凝土的本构关系。
（5）混凝土的高温应变由4部分组成：应力引起的应变，温度热应变，短期高温徐变应变和瞬时热应变，其中瞬时热应变和温度热应变数值巨大，符号相反。The landerson S和Anderberg Y指出：瞬时热应变随温度升高呈非线性增加，但与应力水平呈线性关系。
3钢筋的高温性能研究
钢筋的高温力学性能包括强度和变形性能，主要研究成果如下：
（1）种类不同的钢筋，其强度随温度的变化规律也不同。比如，普通低碳钢筋随温度升高其屈服台阶逐渐减小，到300℃时屈服台阶消失。低合金钢筋在300℃以下时，强度略有提高，但塑性降低，超过300℃，强度降低而塑性增加。低合金钢筋强度降低幅度比普通低碳钢筋小。
（2）钢筋的弹性模量随温度升高而降低，但和钢筋的种类、级别关系不大。段文玺分析了建筑结构遭受火灾的情况，给出高温下钢筋弹性模量的降低系数。
4钢筋和混凝土间的粘结性能
钢筋和混凝土间的粘结性能是两者共同作用的基础，对构件的裂缝、变形和承载力有很大的影响。火灾作用下，混凝土的强度下降，故而降低了二者间的粘结力。纵观国内外研究成果，朱伯龙、陆洲导、钮宏等研究钢筋混凝土的本构关系给出高温下粘结力的降低幅度主要取决于钢筋的外表形状和锈蚀程度，Diederichs U给出高温下的粘结性能比冷却后的粘结性能好的结论。
5 结语
钢筋混凝土结构是发生火灾时最主要的受火构件，对建筑安全有着重要影响。钢筋混凝土构件遭受火灾，混凝土被烧疏、剥落、开裂造成强度降低、构件刚度减小，同时钢筋的弹性模量和强度降低，混凝土与钢筋的粘结力降低，构件的承载力下降，最终导致结构破坏坍塌。因此，研究钢筋混凝土结构的高温性能是十分必要的。
参考文献
[1]Lie T T.A Procedure to Calculate Fire Resistance of Structural Members.International Seminar on Three Decades of Structural Fire Safety，22/23，February 1983.139-153.
[2]Commission of the European Communities.Design of Concrete Structures[S].Eurocode No.2，Part10：Structural Fire Design.Apr，1990.
[3]陆洲导，朱伯龙，周跃华.钢筋混凝土简支梁对火灾反应的试验研究[J].土木工程学报，1993，26（3）：47 -54.
[4]时旭东.高温下钢筋混凝土杆系结构试验研究和非线性有限元分析[D].北京：清华大学，1992.
[5]李卫，过镇海.高温下混凝土的强度和变形性能试验研究[J].建筑结构学报，1993，14（1）：8 -16.
[6]南建林，过镇海，时旭东.混凝土的温度-应力耦合本构关系[J].清华大学学报，1997，37（6）：87 -90.
[7]朱伯龙，陆洲导，胡克旭.高温（火灾）下混凝土与钢筋的本构关系[J].四川建筑科学研究，1990（1）：37 -43.
[8]钮宏，陆洲导，陈磊.高温下钢筋与混凝土本构关系的试验研究[J].同济大学学报，1990，18（3）：287 -7297.
论文作者:白胤领1,王兴国2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/13
标签：混凝土论文; 钢筋论文; 高温论文; 温度论文; 性能论文; 结构论文; 钢筋混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;