火灾影响下的钢筋混凝土构件可靠性分析

1、火灾影响下的钢筋混凝土构件可靠性指标分析摘要：在各类现代建筑中， 钢结构和钢筋混凝土结构占有非常大的比重。 在火灾 高温的作用下， 钢筋混凝上构件的材料性能会发生严重的变化， 构件内部将发生 剧烈的内力重分布， 严重削弱结构的承载性能， 结构变形显著增加， 甚至危及结 构的安全，导致结构发生整体倒塌和破坏。 钢筋混凝土构件以其强度高、 重量轻、 抗震性能好和可靠性高等优点在工程实际中得到了广泛应用。 但是由于钢材的耐 火性能较差，当温度在 400摄氏度左右时， 其屈服强度将降至室温下的一半， 温 度达到约600C时，钢材将基本丧失全部强度和刚度。因此，建筑面临的最大问 题之一就是其抗火性能，

2、一旦发生火灾， 构件的承载能力将大大降低， 变形显著 增加，并在较短时间内就达到极限状态， 因此缺乏防火保护的构件在火灾中极易 受到损害。对于这一情况亟需对其可靠成都进行分析和测试。关键词：建筑火灾 钢筋混凝土构件 可靠性分析1 引言人类对火的认识和使用， 是人类认识自然并利用自然来改善生产和生活条件的第 一次实践。 火的应用， 在人类发展史上具有极其重要的意义， 进而最终把人类与 动物区分开。 火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。 在各个种 类的灾害中， 火灾是最经常、 普遍地威胁人类安全和社会发展的灾害之一。 随着 社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的隐患

3、也在增多， 火灾的危害也越来越大。许多国家的统计表明，每年火灾直接经济损失与该国GDP的比例约为0.1%0.2%，而我国大陆地区1997年至2001年五年间，该指 标平均值为 0.17%。例如:1994 年珠海前山纺织城的六层混凝土框架结构大楼发生火灾，火灾引 起房屋倒塌，共造成 93 人死， 156人伤;2001 年“911”恐怖袭击，恐怖分子劫 持民航飞机撞击世贸中心双塔楼， 爆炸造成世贸中心承重钢结构的防火保护层脱 落，随后的火灾使钢材强度大幅降低，着火楼层柱群失稳，导致世贸中心坍塌， 造成 3000 多人死亡或失踪。建筑结构构件作为建筑物支撑，要求其在服役期内 必须保持足够的承载能力。

4、图1 （9-11恐怖袭击事件）但是建筑受火之后，结构构件的内部会形成不均匀分布的温度场， 在不同高 温作用下材料相应的性能也会不同程度的改变，从而导致结构的承载力下降。准 确地计算出高温后结构构件的剩余承载力及其可靠度，就显得十分必要。一直以来，众多的国内外学者针对火灾后构件剩余承载力的计算方法以及可靠度的确定 方法进行了大量的实验和理论研究， 得到了部分成果，然而由于火灾及灾后结构 性能变化的复杂性，仍有大量问题尚未得到完善解决，需要进行更为深入的研究。2.1建筑火灾简介建筑火灾的发展过程一般建筑物的火灾可分为三个阶段，即初始点燃阶段、充分燃烧阶段和衰减 熄灭阶段，如图2所示。在初始点燃阶段

5、的室内温度较低，其持续时间由火源的 类型、物质的燃烧性能及室内通风条件来决定。 当室内通风较差时火灾可能因氧 气不足而熄灭；若室内通风良好，随着可燃气体充斥房间，室内的可燃物将会在 几乎同一时刻开始燃烧，也就是产生所谓的轰燃现象。轰燃现象的产生也标志着 火灾进入了充分燃烧阶段。在充分燃烧阶段，发生火灾的室内温度将达到最高点， 热辐射和热对流加剧，火焰可能自通风口烧到室外。充分燃烧阶段的长短以及火 灾可能达到的最高温度是由可燃物的多少、 门窗等通风口的大小和部位以及室内 墙体的热工性能等因素决定的。当燃料耗尽，室内温度降至最高温度的80%寸即认为火灾进入到了衰减熄灭阶段。 在衰减燃烧阶段室内温度

6、逐渐降低，直至可燃 物耗尽后火渐渐熄灭。建筑火灾的类型根据火灾空间的大小和几何形状可分为一般室内火灾和高 大空间火灾。对于一般室内火灾是指体积数量级在 100平方米，且失火房间的长 宽比不大的情况；高大空间火灾是指高度大于4米，面积大于500平方米，的一 类建筑。由于轰燃现象发生后，需要大量的氧气来维持可燃物的燃烧， 当失火空 间较小时，若不能从室外补充氧气室内氧气将会很快耗尽。 显然火灾燃烧的释热 率受到房间的开口情况制约，据此可将轰燃后的火灾燃烧分为通风控制型火灾和 燃料控制型火灾。一般来说，高大空间火灾为燃料控制型火灾，一般室内火灾为 通风控制型火灾。图2室内火灾发展过程三、火灾后钢筋混

7、凝土材料的力学性能钢筋混凝土构件在遭受火灾高温作用后其力学性能会发生劣化，从而使得整个结构的抗力水平下降，影响到结构构件的可靠性。因此，在对钢筋混凝土结构 或构件进行分析评估前，首先要进行高温后构件和结构整体抗力衰减的定量分 析，然后进行剩余承载力的计算和安全性评估， 而且在这个过程中要考虑材料的 力学性能受温度的影响程度。混凝土材料作为一种热惰性材料，在受火升温后会出现截面应力和结构内力 的重新分布，导致结构构件产生损伤，抗力水平下降。显然，高温后结构构件的 温度场及其变化决定了结构在高温下的力学反应，而一般情况下结构构件高温下 的力学反应不会对结构已经形成的温度场分布产生影响，只有一种情况

8、例外，那就是当构件出现较宽的裂缝的时候，高温气流会通过裂缝侵入到构件内部， 使得 一定范围内的局部温度发生变化，但是这种影响范围很小。3.1钢筋在高温下的性能指标3.1.1钢筋在高温下的力学性能由于高温下复杂的物理化学作用，钢材的强度将会降低。当温度达到 300C 时，钢筋的屈服台阶将会消失。钢筋屈服强度标准值随温度的变化由系数 Ks(T ) 描述：fy(T)= Ks(T)fy 按照欧洲规范的规定，当火灾下钢筋混凝土受弯构件中的受拉筋应变大于 2000 卩s时：Ks(T )=1.020°CW TW 350 °CKs(T)=(6650-9T )/3500350°CW

9、 TW 700 CKs(T)=(1200-T)/5000700CWTW1200C当受拉筋应变小于2000卩s 时:Ks(T)=1.020CWTW100CKs(T)=(1100-T) / 1000100CW TW 400 CKs(T)=(8300-12T) /5000400CW TW 650CKs(T)=(1200-T) /5500650CW TW 1200C对于受压区钢筋的屈服强度，仍可按计算退化系数，并采用与类似的方法计3.2 混凝土材料在高温下的性能指标3.2.1 混凝土材料在遭受高温后的抗压强度 混凝土材料作为一种以粗细骨料为骨架， 以胶结材料胶结而成的多相、 多组 分的复合材料， 自身

10、性能复杂多变， 受外界影响较多， 就使得人们在该方面的研 究成果存在很大差异。 但是经过科学整理分析， 发现研究成果仍有很多共同见解， 主要表现在以下四个方面 :(1) 当混凝土材料所经历的最高温度 TW 300C时，抗压强度与常温下的抗压强度基本保持一致；当400CW TW700C时，其抗压强度会随着温度的升高下降 剧烈；当T>900E时，抗压强度会下降到常温下抗压强度的10流右。(2) 高温后冷却的方式及骨料类型对抗压强度有一定程度的影响。比如相同 的温度作用后 , 采用喷水冷却后的抗压强度较采用自然冷却后的抗压强度要低 ； 相同的温度作用后，硅质的材料强度较钙质材料强度损失大 ；

11、轻质骨料混凝土的强度在温度升高后的下降幅度较粗骨料小等。(3) 混凝土材料在高温条件下强度的衰减度较升至相同高温再冷却至室温后 的强度衰减要低。(4) 一定外界压力的存在会使得混凝土试件的高温抗压强度比无压力纯升温 条件下试件的强度要高。高温后混凝土强度和温度之间的回归公式。耳20 1 fct (T )二 1 . 0 - 0. 58194 ( -) * fcIL1000_T - 20 1fct (T ) - 1 . 1459 - 1 . 39255() fcIL1000fct(T)fc1 2.4(T -20)6 10一17式中，fct (T )-温度T作用后混凝土材料的抗压强度：fc -常温下

12、混凝土材料的抗压强度。通过对比发现，骨料的类型对于强度折减系数影响较强度等级对其影响程度 要显著的多。这是由于骨料最为混凝土材料的主要组成部分之一，其在高温下性能的热稳定性的优劣直接会影响混凝土的开裂与否。混凝土一旦开裂就直接导致混凝土强度的大幅度下降。定义Kc为混凝土材料试件在经历高温T并降至常温后的抗压强度.fct(T)与常温下的抗压强度fc之比，则：四川省消防科研所实验结果给出了系数Kc的取值如下表所示：t (r)100200300400500600700800Kc0.940.810.760.620.500.380.280.17高温后混凝土强度因为冷却方式的不同其变化的大小也不同，文献5

13、通过实验就不同的冷却方式对高温后混凝土强的影响进行了分析研究，结果表明空气冷却后的强度低于炉内冷却的强度，这是因为空气冷却条件下的试件内外温差较 大，加重了混凝土内部结构的损伤；冷水冷却后的强度要比自然冷却后的混凝土 强度低，主要是由于混凝土受到高温作用之后遇冷水突然冷却，使其构件内外的温度场分布极不均匀，导致内部结构损伤和大量裂缝的产生。4. 可靠性的基本概念结构在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力成为可靠性。反之，若结构无法完成规定的功能称为失效。显然，结构的可靠与失效是一对互补 事件。实际应用中为了定量地进行分析计算引入了可靠度的概念来描述可靠性， 即结构在规定的条件下和规定的

14、时间内完成规定功能的概率。目前，计算结构可靠度应用最广泛的模型称为应力一强度模型，即认为结构的可靠度就是结构的强 度大于其承受的应力的概率。为了分析结构的可靠性，作出以下基本假定：(1) 结构的强度与施加于其上的应力各由一个非负的随机变量或随机过程来 表示；(2) 当应力不大于强度时认为结构是可靠的，反之认为结构是失效的；(3) 应力对结构的作用是导致结构失效的唯一原因；(4) 采用随机变量或随机过程表示的一切力学公式均可适用于结构可靠性分 析。需要说明的是，目前关于可靠性设计的研究基本上是基于构件的， 上述的基 本假定实际上只考虑了结构可靠性的一个方面， 是为了方便的研究构件失效，与 体系失

15、效并非完全相同。按照工程结构可靠度设计统一标准的定义，当结构或结构的一部分超过某一 特定的状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此状态称为该功能的极限状态。在进行具体的结构可靠性分析时需要建立结构可靠度的数学函数模型，称为结构功能函数。它可以描述为：Z =gx(Xi, X2, X3, ;Xn)其中Xl,X2,.,X n为描述结构某一功能所需的。个随机变量或随机过程。显然， 在上式中，Z是一个随机变量或随机过程，当 Z>0时代表结构处于可靠状态；当Z<0时代表结构处于失效状态；当z=o时代表结构处于极限状态，称为极限状态 方程。有了结构功能函数，我们可以方便的表示结构的可靠度和失效

16、概率：Ps = P*Z _0丄 o fz(z)dzPf = P Z 0一 px 二 ° fz(z)dz"a式子中，Ps为结构可靠的概率，Pf为结构失效的概率。 由概率论基本知识可知：Ps Pf =14.1结构可靠性指标的推导结构可靠性概念的提出是由于结构可靠度的表达式通常是一个高维积分，由于计算的对应的数据来源很多变量很多，其维数与功能函数中所包含的随机变量 的个数相同。当组成结构功能函数的随机变量较多时，很难直接进行计算。为了得到计算简便且精度满足工程要求的可靠度计算方法，引入可靠性指标这一概 念。设结构功能函数Z服从正态分布，其均值和标准差分别为z、匚z，可知:0IWz

17、(z)dz 二.01(z 卩)2T2云exp(一")dz2；二可令 zz 二zt，则 dz - ； zdt，当z=0时t =当z趋近于无穷时，t也趋近于无穷。则此式可以以转化:匕 1t2.巧；exp(-)dt =(_P)2 二2则此时可称-二为结构可靠性指标。假设功能函数可以简单的表示为 Z=R-S,其中R和S分别代表抗力和载荷均 服从正态分布。根据概率论的一些基本知识可得:_十-七馆2心再经由概率论只是对数正太分布时则可得到可靠性指标。| ；1nr - 1ns_ I2 丄厂'：;-1nr 1ns4.2依据国家标准对可靠性指标分析依据我国建筑结构可靠度设计统一标准中所采用的可

18、靠性模型。结构构件设计时采用的可靠性指标（可靠度分析），并考虑使用经验和经济因素的确定。对于结构构件承载能力极限状态的可靠指标，不应小于表-1的规定。结构构件承载能力极限状态的可靠指标破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2表-11为-无因次的系数，称可靠性指标， 一：是失效概率的度量。越大，失效概率Pf越小，故可靠度pr越大。 在某种分布下，当二z二常量时，：仅仅随着Jz变化。而当增加时，会 使概率密度曲线由于 叮增加而向右移动，Pf将由此减少，从而使可靠度Pr增大。 可靠指标增加，结构可靠度Pr增大；减小，结构可靠度Pr也减小，因此，1可以作为表示结构可靠性程度的一个重要依据参数。5、结论本文中主要是结合国家标准建筑结构可靠度设计统一标准以及前辈们做 过的基础实验结论以及成熟的数学理论知识， 对实际工程中的受火构件进行了可 靠度分析。通过对可靠度这一指标参数的分析可以评定出受火构件的结构可靠 度，这指标参数可以作为一个重要依据参数进行火灾影响下的钢筋混凝土构件的 可靠性分析。在分析参数中发现，构件后的