浅谈火灾中钢筋混凝土结构构件强度损失及表面判定方法.doc

浅谈火灾中钢筋混凝土结构构件强度损失分析及表面特征、刖 白2003年11月3日湖南省衡阳市珠晖区衡州大厦一幢天井式的8层商住楼起火建筑倒塌 事故，导致20名消防官兵牺牲，创造了新巾国一次火灾事故消防官兵牺牲之最2004年11 月，湖南常德桥南市场发生火灾，过火面积近2万m2,由于商贸城两栋建筑突然发生坍塌， 给消防救援带来了困难，而且造成了人员的伤亡，经济损失达1. 9亿元2005年8月2曰， 蒙牛乳业（马鞍山）有限公司冰淇淋厂北冷库发生火灾，过火而积约2800平方米，此次火 灾造成3名消防战士牺牲，直接经济损失约300万元频发的建筑火灾倒塌事故，为新时期的消防工作提出了严峻的挑战作力建筑体系中起 安全作用的建筑构件，它不仅承载着整个建筑的生命，而且也承载着使用者的生命，因此它 如同生命线一样是人们在危险境遇下最后的防线因此，在建筑设计中，对建筑构件的耐火 性能及燃烧性能要求的条款属于强制性条文，必须按照规范中的要求进行设计，以确保建筑 构件具有基本的抗火能力FI前，钢筋混凝土结构是我国主要建筑结构形式之一尽管钢筋 和混凝土材料属于热惰性材料，但由于火灾的高温作川，材料性能将严重劣化，在结构中将 发生严重的内（应）力重分布，使结构性能大大削弱，危及结构的安全。

积极研究和探讨建筑 物在火灾作用下的破坏、倒塌特点和规律，准确判断火灾发生过程中钢筋混凝土建筑构件达 到危险状况的临近时间，对于减少此类火灾事故中的人员伤亡和财产损失具有非常重要的现 实意义二、火灾中混凝土强度受损分析浞凝土是水泥（通常硅酸盐水泥）与骨料的浞合物当加入一定U水分的时候，水泥水 化形成微观不透明晶格结构从而包裹和结合骨料成为整体结构高温下，混凝土将产生热分 解，从而改变了混凝土的力学和热学性能当混凝土受热后达iooc时，混凝土中的游离水 开始排除，到200C时，其化学结合水开始排除，在350C吋，发生硅酸钙和铝酸钙脱水， 在570C时，发生氢氧化钙脱水，开始分解，导致水泥石结构的破坏，使混凝土的强度显著 降低英国浞凝土规范中给出了浞凝土随温度变化的强度损失（见阁1）1 000.400.200.00.a企秤料混凝土20 200 350 500温度/3c800阁1混凝土随温度变化的强度损失从图1中我们可以看到，当混凝土受到低于350C以下的火灾温度的影响时，可以认为 其强度没有损失通过试验，我们也发现当受火温度低于35(TC时，无论是喷水冷却还是自 然冷却，混凝土强度均没有明显的降低；当温度超过350C后，水泥石的晶架结构破坏严重, 混凝土的强度开始显著下降，在这个过程中，喷水冷却的混凝土强度比自然冷却的混凝上强 度下降更多。

主要是因为氢氧化钙在350〜600C之间脱水，产生水蒸汽，集料中碳酸钙在 900〜10006C分解，产生CaO和C02,由于C02和水蒸气要从内部向外逸出，会使混凝土内 部产生很大压力，因此会导致混凝土爆裂；另外，火灾中的混凝土结构如果喷水，其表面会 突然冷却，导致混凝土内部与表妞温差过大，进一步加剧混凝土的爆裂程度三、火灾中钢筋强度受损分析钢筋混凝土构件在火灾温度下，其强度主要同钢筋高温性能有关，它直接影响着建筑 构件在火灾下的反应钢筋混凝土一般川普通低碳钢筋，随着温度升高，屈服台阶逐渐减小， 到300c吋，屈服台阶消失，其屈服强度可按0.2%的残余变形确定钢筋在4oor以下吋， 其强度还比常温时略高，但塑性降低这是由于钢材在200〜350C时蓝脆现象使其强度增 加超过40(rc时，强度随温度升高而降低，塑性增加到700C时，钢筋强度要降低80% 以上钢筋弹性模M也是随着温度的升商而不断下降的，这种变化是以约600C为主要界限 一般我们认为钢材中心温度达到54CTC以后，其弹性模量开始明显下降而当钢筋受到预拉 作用，形成预应力钢筋时，在高温状态卜\预应力的损失较普通钢材严重，一般认为预应力 钢筋的强度损失类似冷乳钢材。

普通钢材当温度在400C时，一般其强度损失小于20%,而 冷乳钢材受到400C温度吋，其强度损失已达50%2—预应力钢筋或钢铰线图2钢筋随温度变化的强度损失情况四、钢筋和混凝土在高温下粘结力的损失分析建筑物的梁、柱等承重构件，是靠钢筋和混凝土共同作用来完成的，通常情况下，钢筋、 泥凝土是一个完整的整体，它们之间的粘结力主要rtr況凝土硬化收缩时将钢筋握班而产生的 摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝土与钢筋接触表面的机械咬合力所组成在高温作川下，钢筋和混凝土在高温下发生不同程度的膨胀，由于钢筋和混凝土两种材料本 身的热导率、膨胀系数的不同，一般认为钢筋的热膨胀系数是混凝土热膨胀系数的1.5倍， 正常温度范围两者之间具有良好的粘结关系，当混凝土构件受到火的高温后，这种关系被 改变，造成浞凝土与钢筋的逐渐剥离，失去了共同的作用这种不断地破坏，使构件浞凝土 的有效截面积不断地减小，从而使构件的承载力不断降低，接触面上的剪应力随之增大，加 上混凝土抗压强度降低和混凝土内部产生裂缝等原因，从而使钢筋与混凝土的粘结力逐渐降 低，直至完全破坏100 200 300 4C0 5()0 600 700 卿温度CC)3几种钢筋与混凝土之间粘结强度降低情况四、混凝土结构构件受损程度表面的判定通过试验分析，我们可以根裾结构受灾温度、变形大小、裂缝分布及扩展程度等，将混 凝土构件的受损程度大致分为轻度损伤、中度损伤、严重损伤、危险结构。

4.1轻度损伤，混凝土构件表面受热温度低于door，受力主筋温度低于iooc,构件表面 颜色无明显变化，钢筋保护层基本完好，无露筋、空鼓现象除装修层有轻微损坏，其他状 态与未受火结构无明显差别4.2中度损伤，混凝土构件表面受热温度约400〜500C,受力主筋温度低于300C,混凝 土颜色巾灰色变为粉红色，有空鼓现象，当使用中等力量锤击时，可打落钢筋保护层构件 表面有局部爆裂，其深度不超过20mni构件露筋面积小于25%，混凝土表面有裂缝，纵向裂 缝少，钢筋和混凝土之间粘结力损伤轻微，构件残余挠度不超过规范规定值4.3严重损伤，混凝土构件表面温度约600〜700C,受力主筋温度约为350〜400C,钢筋 保护层剥落，混凝土爆裂严重，深度可达30mm，露筋面积低于40%,构件空鼓现象较为严重, 用锤敲击时声音发闷浞凝土裂缝多，纵叫、横肉裂缝均有，钢筋和混凝土之间的粘结力局 部严重破坏混凝土表面颜色呈浅黄色构件变形较大，受弯构件挠度超过规范规定值1〜 3倍，受压构件约有30%的受压钢筋鼓出，混凝土有局部烧坏4.4危险结构，混凝土构件表面温度达700C以上，受力主筋温度达400〜500C，构件受 到实质性破坏，有明S受火烧融痕迹。

钢筋保护层严重剥落，表面混凝土爆裂深度达30以 上，钢筋有烧融、断裂现象，露筋而积大于40%构件纵14、横向裂缝多且密，钢筋和混凝 土粘结力破坏严重，主筋有扭曲受弯构件裂缝宽度W达1〜5mm,受压区也有明显破坏特 征;支座附近斜裂缝多，构件挠度达到破坏标准，且有平面外变形构件沿垂直或水平面被 分割成若干层受压构件失去稳定，局部破坏，50%以上受压钢筋鼓出柱牛腿烧损严重 4. 5.简易判定方法颜色裂缝掉皮缺角疏松爆裂损度受程200C車型无无无无无轻度损伤400C淡红或红灰细微、少量无无无无中度损伤600C略白细小、较多少量无轻度轻度严重损伤700C浅灰白较宽、多少量个别角较明显较明显严重损伤800C灰白宽而多轻敲掉皮各角都有明显明显危险结构1000C浅黄宽而多且无 方向性冷却后用手 轻拿即碎各角都有、程度不同严重严重危险结构五、结束语火灾中建筑物发生倒塌的最终原因都是建筑物的承重构件失去承载能力而造成结构性 破坏一方面建筑构件与建筑材料总体上来说都不具有真正意义上的抗高温能力，耐火极限 概念只是相对的，在持续大火产生的火焰与高温中最终会被破坏，具有高温破坏或火焰破坏 的特征另一方面建筑的结构设计特点决定了倒塌往往是瞬间的事，为满足人的活动空间需 求及经济要求，垂直承重构件一般间距比较大，截而尺十则尽可能小，与平而承重构件间普 遍采用简支结构连接，因此任何一处垂直承重构件的突然损坏必然对建筑受力体系造成极大 的损害，最后导致建筑物的倒塌。

建筑物在火灾作用下发生倒塌，是一个必然的过程，是一个完整建筑遭破坏的过程，更 难以实施前期控制，就目前技术来说，还是很难对建筑物的火灾倒塌做出准确的预测和判断 但建筑物的倒塌也并不是不可预测的，任何事物由一种形态发展到另一种形态，必然经历一 个量变到质变的过程，火灾中建筑物的倒塌也是有规律可循的因此，消防部队基层指挥员 在口常的火火救援战斗中，要认真研究建筑物倒塌的成因，掌握倒塌的一般规律，在火火与 抢险救援中有针对性的采取一些预防和应对措施，对于减少人员伤亡、降低火灾损失具有重 要的意义。