混凝土結構火災防護技術基本知識（word20頁）

1、PAGE 4-PAGE 21混凝土結構火災防護技術第一節(jié) 火災和建筑防火基本知識一、燃燒的基礎知識1. 燃燒的條件燃燒是可燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應，通常伴有火焰、發(fā)光和發(fā)煙現(xiàn)象。從本質上講，燃燒是劇烈的氧化還原反應。任何物質的燃燒都有一個由未燃燒狀態(tài)轉向燃燒狀態(tài)的過程，其發(fā)生和發(fā)展應具備三個必要條件：可燃物、氧化劑（助燃物）和溫度（點火源），三者缺一不可。這三個條件只是燃燒的基本條件，如果可燃物的數(shù)量不夠多，氧化劑不足或者溫度不夠高，也不能發(fā)生燃燒。因此，要發(fā)生燃燒，還必須具備以下的充分條件：（1）一定數(shù)量或濃度的可燃物：必須使可燃物質與助燃物有一定的數(shù)量或濃度才能發(fā)生燃燒，例如氫氣在空

2、氣中的含量達到4%75%才能著火或爆炸；（2）一定數(shù)量的助燃物：助燃物的數(shù)量必須足夠，可燃物才能燃燒，否則燃燒就會減弱甚至熄滅。測試表明，大多數(shù)可燃物質在含氧量低于16%的條件下，就不能發(fā)生燃燒，因為助燃物濃度太低的緣故；（3）一定能量的點火源：點火源必須有一定的溫度和足夠的熱量，否則燃燒不能發(fā)生；（4）可燃物、助燃物和點火源三者的相互作用：燃燒不僅必須具備可燃物、助燃物和點火源，而且必須滿足彼此間的數(shù)量比例，同時還必須相互結合、相互作用，否則燃燒將不能發(fā)生。2. 燃燒的種類燃燒的類型主要有閃燃、著火、自燃和爆炸等，掌握燃燒類型的基本概念對于了解火災危險性和預防、撲救火災十分必要。（1）閃燃：

3、是指在一定溫度下，液體或固體表面產生了足夠的可燃氣體，遇火便能產生一閃即滅的燃燒現(xiàn)象。在規(guī)定的試驗條件下，液體或固體表面能產生閃燃的最低溫度稱為閃點。閃燃現(xiàn)象的燃燒時間一般少于5秒，這是因為在閃點溫度下，物體表面蒸發(fā)速度較慢，而蒸發(fā)出來的可燃氣體僅能維持短時間的燃燒，所以閃燃一下就熄滅了。閃燃往往是持續(xù)燃燒的先兆，閃點是衡量物質火災危險性的重要參數(shù)。為便于防火管理，將閃點小于或等于45C的液體劃為易燃液體，閃點大于45C的液體劃為可燃液體。（2）著火：是指可燃物在空氣中受著火源作用而發(fā)生持續(xù)燃燒的現(xiàn)象。可燃物開始燃燒所需要的最低溫度叫做燃點或著火點。一切可燃液體的燃點都高于閃點，易燃液體的燃點

4、一般比閃點高15C，而且液體的閃點越低，相差就越小。例如，汽油、丙酮等閃點低于0C的液體，這一差值僅為1C；而閃點在100C以上的可燃液體，這一差值可達30C以上。燃點對可燃固體和閃點較高的液體具有重要意義，在控制燃燒時，需將可燃物的溫度降至其燃點以下。（3）自燃：是指可燃物在空氣中沒有外來著火源的作用，靠自熱或外熱而發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。根據(jù)熱源的不同，物質自燃分為本身自燃和受熱自燃兩種。在規(guī)定的條件下，可燃物質產生自燃的最低溫度是該物質的自燃點。（4）爆炸：是指物質急劇氧化或分解反應而產生溫度、壓力分別急劇增加或兩者同時急劇增加的現(xiàn)象（第五章）。在未燃燒介質中傳播速度不大于聲速的爆炸又稱為爆燃，

5、而大于聲速的則稱為爆轟。在消防工作中經常遇到的是可燃性氣體、蒸氣、粉塵、液滴與空氣或其它氧化介質形成爆炸性混合物所發(fā)生的爆炸?？扇細怏w、蒸氣或粉塵與空氣混合后遇火產生爆炸的最低濃度稱為爆炸下限，通常以體積百分比來表示。3. 燃燒產物由燃燒或熱解作用而產生的全部物質稱為燃燒產物。燃燒產物通常是指燃燒生成的氣體、熱量、可見煙霧等。大多數(shù)物質的燃燒是一種放熱的化學氧化過程，并形成熱氣的對流與輻射，釋放的熱量對人體具有明顯的生理危害。燃燒產生的氣體一般是指一氧化碳、氰化氫、二氧化碳、氯化氫、二氧化硫等。由燃燒或熱解作用產生的、懸浮在大氣中可見的固體或液體顆粒被總稱為煙，其粒徑一般在0.01m10m，這

6、種含碳物質大多數(shù)是在火災中由不完全燃燒而產生的。燃燒產物的數(shù)量、組成等與燃燒物質的化學組成以及溫度、空氣的供給情況等有關。燃燒產物對消防安全的影響主要表現(xiàn)為以下幾個方面：（1）燃燒產物對燃燒過程的影響：完全燃燒產物在一定程度上有阻止燃燒的作用。在封閉的房間中，隨著燃燒的進行，二氧化碳等產物的濃度越來越高，空氣中的氧氣越來越少，燃燒強度隨之逐漸降低。實驗證明，當空氣中的二氧化碳含量達到30%，一般可燃物就不能發(fā)生燃燒。（2）燃燒產物對視力的影響：煙有遮光作用，使能見度下降，會給撲救和疏散工作帶來困難，尤其是在空氣不足時，煙的濃度更大。（3）燃燒產物對人體的影響：燃燒產生大量的煙和氣體，使空氣中氧

7、氣含量急速降低，加上CO和HCl等有毒氣體的作用，使在場人員有窒息和中毒的危險，神經系統(tǒng)受到麻痹。有資料表明，CO濃度達292.5mg/m3時，可使人產生嚴重的頭痛、眩暈等癥狀；CO濃度達到1.17g/m3時，吸入超過60min可使人發(fā)生昏迷；CO濃度達到11.7g/m3時，數(shù)分鐘內可使人致死。此外，燃燒中產生的煙氣包含水蒸氣等，溫度較高，人在這種高溫濕熱環(huán)境中極易被燙傷。（4）燃燒產物易造成火勢蔓延：由于對流和熱輻射作用，灼熱的燃燒產物可能引起周圍其它地方可燃物的燃燒而形成新的起火點，造成火勢擴散蔓延。（5）煙能夠提供早期的火災警報：由于不同物質燃燒，其煙氣有不同的顏色和嗅味，在火災初期產生

8、的煙氣能夠給人們提供火警預報。4. 熱傳播的途徑火災發(fā)生、發(fā)展的整個過程始終伴隨著熱傳播過程，熱傳播是影響火災發(fā)展的決定性因素。其傳播途徑主要有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。熱對流是熱傳播的重要方式，是影響早期火災發(fā)展的最主要因素，而熱輻射是火災處于發(fā)展階段熱傳播的主要形式。5. 防火的基本措施掌握了物質燃燒的條件，就可以了解預防和撲救火災的道理。一切防火措施都是為了防止燃燒的三個條件同時發(fā)生，所能采取的基本措施是：（1）控制可燃物；（2）隔絕助燃物；（3）消除點火源；（4）阻止火勢蔓延。6. 滅火的基本原理根據(jù)燃燒的基本條件，任何可燃物產生燃燒或持續(xù)燃燒都必須具備燃燒的必要條件和充分條件。因

9、此，火災發(fā)生后，滅火就是破壞燃燒條件、使燃燒反應終止的過程。滅火的基本原理可以歸納為四種：冷卻、窒息、隔離和化學抑制。前三種滅火作用主要是物理過程，化學抑制是一個化學過程。不論是使用滅火劑還是通過其它機械方式來滅火，都是利用上述四種原理中的一種或多種綜合地來實現(xiàn)的。二、火災和防火設計基本知識1. 火災的定義與分類國家標準消防基本術語：第一部分(GB 5907-86)將火災定義為在時間或空間上失去控制的燃燒所造成的災害。為便于指導防火和滅火特別是合理選用滅火器材,國家標準火災分類(GB T 4968-85)按物質的燃燒特性將火災分為如下四類：A類火災，是指固體物質火災，這種物質往往具有有機物質，

10、一般在燃燒時能產生灼熱的灰燼，如木材、棉、毛、麻、紙張火災等；B類火災，是指液體火災和可熔化的固體物質火災，如汽油、煤油、柴油、原油、甲醇、乙醇、瀝青、石蠟火災等；C類火災，是指氣體火災，如煤氣、天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、氫氣火災等；D類火災，是指金屬火災，如鉀、納、鎂、鈦、鋯、鋰、鋁鎂合金火災等。由我國公安部頒布的火災統(tǒng)計管理規(guī)定（1997年版）按照一次事故所造成的人員傷亡、受災損失，又將火災分為以下三類：（1）具備下列情形之一的為特大火災：死亡10人以上（含本數(shù)，下同）；重傷20人以上；死亡、重傷20人以上；受災50戶以上；燒毀財物損失100萬元以上。 （2）具備下列情形之一的為重大火災：

11、死亡3人以上；重傷10人以上；死亡、重傷10人以上；受災30戶以上；燒毀財物損失30萬元以上。（3）不具備前列兩項情形的火災，為一般火災。2. 消防管理與火災調查消防管理是隨著人類同火災作斗爭的過程中逐漸形成和發(fā)展起來的，消防管理屬于社會管理的范疇。我國的消防管理自古代起形成和逐步發(fā)展，已有兩千多年的歷史。我國古代火政管理的主要內容概括起來就是設火官、立火禁、修火憲。新中國成立以后，消防管理逐步走上了法制化軌道。1957年11月，經全國人民代表大會常務委員會第86次會議批準，國務院頒布了消防監(jiān)督條例。1984年5月13日，經第六屆全國人民代表大會常務委員會第五次會議批準，國務院頒布了中華人民共

12、和國消防條例。1998年4月29日，經第九屆全國人大常委會第二次會議批準，頒布了中華人民共和國消防法（以下簡稱消防法）。消防法第一條明確提出消防的總任務是“預防火災和減少火災危害，保護公民人身、公共財產和公民財產安全，維護公共安全，保障社會主義現(xiàn)代化建設的順利進行。”消防工作方針是“預防為主，防消結合”，這是我國人民同火災作斗爭的科學總結，它正確地反映了消防工作的客觀規(guī)律，科學地闡明了防火與滅火的辨證關系。消防工作堅持專門機關與群眾相結合的原則。國務院公安部門對全國的消防工作實施監(jiān)督管理，縣級以上地方各級人民政府公安機關對本行政區(qū)域內的消防工作實施監(jiān)督管理，并由本級人民政府公安機關消防機構負責

13、實施。軍事設施、礦井地下部分、核電廠的消防工作，由其主管單位監(jiān)督管理?；馂闹?，公安消防機構有權根據(jù)需要封閉火災現(xiàn)場，依據(jù)公安部1999年頒布的火災事故調查規(guī)定，負責調查、認定火災原因，核定火災損失，查明火災事故責任?；馂脑蛘{查是一項具有較高科學水平和較深綜合知識層次的系統(tǒng)工程，火災事故調查工作，應當堅持實事求是求是、尊重科學的原則。火災調查的目的是通過現(xiàn)場勘察、調查訪問、物證鑒定、綜合分析等手段，確定火災事故的原因和性質，依據(jù)法律對事故的責任者或犯罪分子給予定案處理；同時為研究火災規(guī)律、預防和撲救火災提供實際依據(jù)，更好地從消防管理、安全技術、器材設備等方面總結經驗教訓，改進消防工作。在總結

14、火災正反兩方面經驗和教訓的基礎上，我國政府和有關主管部門還頒布了許多建筑防火設計的技術規(guī)范（表1）。3. 建筑火災及其防火措施建筑火災的起因多種多樣，歸納起來，大致可分為6類：（1）生活和生產用火不慎；（2）違反生產安全制度；（3）電氣設備設計、安裝、使用或維護不當；（4）自燃、雷電、靜電、地震等自然災害引起；（5）人為縱火；（6）建筑布局不合理，建筑結構材料選用不當?shù)纫蛩卮龠M火災蔓延。建筑火災是一種在有限空間里發(fā)生的燃燒。根據(jù)室內火災溫度隨時間的變化特點，可以將其發(fā)展過程分為圖1所示的四個階段： 表1 我國工程設計防火標準標準（規(guī)范）名稱標準編號最新版本建筑設計防火規(guī)范GBJ 16-8720

15、01年修訂版高層民用建筑設計防火規(guī)范GB 50045-952001年修訂版人民防空工程設計防火規(guī)范GB 50098-982001年修訂版建筑內部裝修設計防火規(guī)范GB 50222-952001年修訂版自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范GB 50084-20012001年版火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范GB 50116-981998年版（1）火災初起階段（OA段）：室內火災發(fā)生后，最初只是起火部位及其周圍可燃物著火燃燒，此時的燃燒如同在敞開的空間里進行的一樣。其特點是燃燒范圍不大，建筑物本身尚未燃燒，燃燒僅限于起火點附近。初起階段是滅火的最有利時機，應設法及早發(fā)現(xiàn)火災，并設法將火災消滅在該階段。（2）火災發(fā)展階段

16、（AB段）：在火災初起階段后期，局部燃燒迅速擴展，室內溫度上升很快，當達到室內固體可燃物全表面燃燒的溫度時，被高溫烘烤分解、揮發(fā)的可燃氣體可能使整個房間充滿火焰。房間內由局部燃燒向全室性燃燒的突變現(xiàn)象，稱之為“轟燃”。此階段仍是滅火的有利時段。（3）火災燃燒猛烈階段（BC段）：轟燃發(fā)生后，房間內所有可燃物都在猛烈燃燒，放熱量很大，因此房間內溫度迅速升高，最高溫度可達1100C 1200C。此階段的滅火通常是很困難的。（4）火災熄滅階段（C點以后）：隨著室內可燃物的不斷減少，火災燃燒速度遞減，溫度逐漸下降，進入熄滅階段。圖1 室內火災時間溫度曲線4. 建筑構件的耐火極限及建筑物的耐火等級建筑構件

17、的燃燒性能可大致分為三類：（1）非燃燒體，是指由在空氣中遇火燒或高溫作用時不起火、不微燃、不炭化的材料做成的構件。如建筑中采用的混凝土、磚、石、金屬等。（2）難燃燒體，是指由在空氣中遇火燒或高溫作用時難起火、難微燃、難炭化且當火源移開后燃燒或微燃立即停止的材料做成的構件，也包括由燃燒材料做成而用非燃燒材料做保護層的構件。如瀝青混凝土、經過防火處理過的木材、水泥刨花板、纖維石膏板等。（3）燃燒體，是指由在空氣中遇火燒或高溫作用時會立即起火或發(fā)生微燃且當火源移開后仍繼續(xù)保持燃燒或微燃的材料做成的構件。如未經防火處理的木材等。建筑構件的耐火極限是指對任一建筑構件按標準時間溫度曲線（圖2）進行耐火試驗

18、，從受到火作用時起，到失去穩(wěn)定性或完整性被破壞或失去隔火作用時為止的這段時間，以小時(h)表示。失去穩(wěn)定性是指建筑構件在火作用過程中失去了承載能力或抗變形能力，此條件主要針對承重構件；完整性被破壞是指分隔構件（如樓板、門窗、隔墻等）當其一面受火作用時出現(xiàn)穿透裂縫或穿火孔隙，火焰穿過構件使其背火面可燃物起火，從而失去了阻止火焰和高溫氣體穿透或阻止其背火面出現(xiàn)火焰的性能；失去隔火作用是指分隔構件失去隔絕過熱熱傳導的性能，使得構件背火面后的平均溫度超過初始溫度140C或背火面上任一測點溫度超過初始溫度180C而使鄰近可燃材料被燎烤炭化起火。影響建筑構件耐火極限的主要因素有材料的燃燒性能、構件截面尺寸

19、和保護層厚度等。圖2 標準的火災溫度時間曲線建筑物必須具備一定的耐火安全儲備，以確保在火災發(fā)生時能為人們安全疏散提供必要的時間，為消防人員撲救火災創(chuàng)造工作條件，并為火災后對建筑物的修復提供一定的技術可行性。建筑物的耐火性通常用耐火等級來表示。我國現(xiàn)行的建筑設計防火規(guī)范將多層建筑的耐火性分為四個等級，其中一級耐火能力最強，四級耐火能力最差。高層民用建筑設計防火規(guī)范(GB 50045-95)則將高層建筑耐火等級劃分為一、二級。耐火等級的選定，與建筑物的重要性、高度或層數(shù)、室內火災荷載（是指地面或樓板單位面積上可燃物的質量，kg/m2）、造價等因素有關，具體是通過各建筑構件的燃燒性能和耐火極限指標來

20、體現(xiàn)的，而構件耐火極限的選定又取決于我國火災延續(xù)時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。對同一建筑中的不同構件，從其對建筑的整體穩(wěn)定性來說，柱和梁比樓板更為重要。因此，可將樓板的耐火極限作為確定其它構件耐火極限的基準，即對于比樓板重要的構件，應適當提高其耐火極限，否則反之。例如，鑒于我國火災延續(xù)時間在2h、1.5h和1h以內的分別占90%以上、88%和80%，建筑設計防火規(guī)范對一級耐火等級的建筑物，取定樓板的耐火極限為1.5h，梁為2.0h，支承單層的柱為2.5h，支承多層的柱為3.0h，而吊頂（包括吊頂擱柵）則為0.25h。在隔斷火災擴散途徑方面，墻體起著十分重要的作用。因此，在火災延續(xù)時間調查結果和參考國外建筑防

21、火設計規(guī)范的基礎上，對各耐火等級的建筑物，我國建筑設計防火規(guī)范均取其防火墻的耐火極限為4h。我國現(xiàn)行防火規(guī)范對多層和高層建筑各耐火等級相應的建筑構件，要求其燃燒性能、耐火極限分別不應低于表2、表3所列出的規(guī)定。表2 多層建筑構件的燃燒性及耐火極限表3 高層建筑構件的燃燒性能和耐火極限第二節(jié) 混凝土結構的火災和高溫損傷問題一、混凝土結構的火災問題1建筑火災危害雖然鋼筋混凝土結構材料本身是不燃燒的，但在室內一定量可燃物燃燒引起的高溫作用下，混凝土和鋼筋及其粘結等力學性能發(fā)生退化，造成建筑構件的損傷或破壞。若重要部位的結構構件遭受嚴重損傷或破壞，則可能會引起建筑結構的剛度和穩(wěn)定性下降，甚至會引起建筑

22、物整體倒塌。例如，1974年比利時的一幢三層鋼筋混凝土結構房屋在起火75min后倒塌；1993年江西南昌萬壽宮商城一幢八層鋼筋混凝土底框-磚混結構房屋在火災中整體倒塌。我國近期發(fā)生的典型案例是湖南省衡陽市衡州大廈。該建筑底層為混凝土框架結構，上面是“回”字形的7層（局部8層）磚混住宅樓，總建筑面積約9300m2。由于該建筑一樓商業(yè)用房被擅自改作農產品加工作坊和倉庫，并存放了大量的聚乙烯薄膜、尼龍繩等可燃物品，2003年11月3日凌晨5時許突發(fā)大火并迅速蔓延。衡陽市公安、消防部門迅速組織大量警力趕到火場開展滅火、救援工作，住戶全部得以安全撤離。8時37分，由于堆放的聚乙烯薄膜、尼龍繩燃燒的時間長

23、、溫度高（可達2000），底層混凝土框架結構（尤其是西北部的5根柱子，圖3）的承載性能迅速惡化，導致該建筑西北端區(qū)域約3000m2的建筑突然坍塌，最終造成了20名消防官兵殉職、11名消防隊員和4名新聞記者受傷的特大火災和房屋坍塌事故。因此，為了減少火災對人民生命和財產的嚴重危害，混凝土結構應在遭遇火圖3 衡州大廈一樓平面災的一定時間內保持足夠的剛度、承載力和完整性，以便有效地發(fā)揮建筑物的承重和支撐作用，保證室內人員能夠安全地撤離火場和消防人員進行滅火等活動。2火災對鋼筋混凝土材料的影響火災時，混凝土結構經歷溫度升高直至最高溫度，然后降低至常溫的過程。按照不同階段對混凝土結構的承載能力要求，設計

24、時需要考慮在火災中和火災后溫度對混凝土結構的影響。（1）混凝土在高溫下的力學特性火災高溫將使得混凝土材料的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量產生嚴重的衰減，具體影響規(guī)律已在本書第二章第四節(jié)作過介紹，在此不再贅言。 (2) 鋼在高溫下的力學特性a. 鋼在高溫下的彈性模量和泊松比鋼材的彈性模量E和泊松比是結構性狀變化的敏感參數(shù)。鋼材的彈性模量隨溫度升高而降低，具體表現(xiàn)為：在0600范圍內，彈性模量隨溫度升高而逐漸降低；當超過600后，其隨溫度升高而顯著下降。鋼的泊松比在室溫時約為0.29，500為0.30，750為0.34。b. 鋼在高溫下本構關系鋼材在高溫下的強度與鋼材的冶煉爐種、鋼號、冶煉方法等有關

25、。對于普通熱軋鋼筋，當溫度小于300時，其屈服強度降低不到10%，而當溫度升高到600時，其屈服強度只剩下常溫時的50%左右，屈服臺階亦隨溫度的升高逐漸消失，如圖4所示。對于冷拔鋼絲或鋼絞線，當受火溫度達到200以上時，其極限強度的降低更加明顯；而對于高強合金鋼筋，在200300之間，強度反而隨溫度有所提高，隨后同冷拔鋼筋呈同一趨勢下降。 圖4 高溫下鋼筋的應力-應變關系(3) 高溫對鋼筋與混凝土粘結性能的影響鋼筋與混凝土之間的粘結力反映鋼筋與混凝土界面相互作用的能力，通過粘結作用來傳遞兩者的應力和協(xié)調變形。鋼筋與混凝土之間的粘結力主要組成部分為：鋼筋與水泥膠體的吸附和粘著力，約占總粘結力的1

26、0%；混凝土在鋼筋環(huán)向方向的收縮、鋼筋微彎或直徑不均勻所產生的摩阻力，約占總粘結力的1520%；混凝土與鋼筋接觸表面上凹凸不平的機械咬合力，約占總粘結力的75%。在高溫作用下，由于鋼筋和混凝土之間的差異變形增大，接觸面上的剪應力隨之增大，加上混凝土抗壓強度降低和混凝土內部產生裂縫等原因，從而使鋼筋與混凝土的粘結力逐漸降低，直至完全破壞。鋼筋與混凝土粘結性能隨溫度的變化關系如圖5所示?；馂囊鸹炷两Y構材料的這些性能退化，將直接引起結構抵抗力的降低。在鋼筋混凝土結構設計中，可以通過基于已退化的材料性能指標進行結構整體分析，驗算各階段結構的抗力；通過設計方案的調整來減少火災對混凝土結構的影響，提高

27、結構的抗火能力。而由于發(fā)生火災時的不同著火位置，迎火面與背火面存在較大的溫度分布差異，在混凝土體內會引起不均勻的應變分布場，對于混凝土結構將產生復雜的附加應力場。這同樣也會降低結構的抗力，也應通過分析來確定其影響，以便調整方案提高抗火能力。圖5 高溫下鋼筋與混凝土的粘結強度二、混凝土結構的高溫損傷問題對混凝土結構而言，火災將產生一個復雜的、不均勻的溫度升高與下降過程。火災的高溫作用對混凝土結構造成的損傷，可以從溫變引起的應變場、高溫引起材性退化以及體變形作用受到約束造成附加應力等幾方面進行分析。這些因素的存在改變了混凝土結構內部的應力狀態(tài)與抗力機理，因而會出現(xiàn)與常溫結構不同的破壞模式。1. 內

28、部不均勻溫度場由于混凝土的熱傳導系數(shù)很小，受火后，結構的迎火表面溫度迅速升高，而內部的溫度增長緩慢，因此形成了不均勻的溫度場，其中表面的溫度變化梯度較大。隨著火災時間的延續(xù)，構件的這種溫度場也在不斷變化，它取決于火災的溫度-時間過程、構件的形狀與尺寸以及混凝土材料的熱工性能等。研究發(fā)現(xiàn)，結構的初始內力狀態(tài)、變形和細微裂縫等對其溫度場的影響極小。但是，結構的溫度場由于改變混凝土內部應力狀態(tài)，它對結構的內力、變形、裂縫擴展和承載力等產生很大的影響。2.材料性能的嚴重惡化經歷火災后，在高溫時以及降溫后，混凝土和鋼筋各自的強度、彈性模量以及混凝土與鋼筋之間的粘結力銳減，在同樣的荷載作用下結構變形猛增。

29、在高溫作用下，混凝土還出現(xiàn)開裂、酥松和邊角崩裂等外觀損傷現(xiàn)象，且隨溫度的升高這種截面削弱漸趨嚴重。這是混凝土構件和結構的高溫承載力與耐火極限嚴重下降的主要原因。3.構件截面應力和結構內力的重分布發(fā)生火災后的任意時刻，構件截面會存在不均勻的溫度場，它將產生不均勻的溫度變形。截面的高溫區(qū)受到相鄰的非高溫構件的約束，將引起截面的應力重分布。對大多數(shù)混凝土結構，由于結構呈現(xiàn)超靜定性，溫度變形還將受到支座和節(jié)點的約束，繼而會產生劇烈的內力重分布。隨著溫度的變化和時間的延續(xù)，混凝土結構將形成一個連續(xù)變化的內力重分布過程，并最終導致出現(xiàn)與常溫結構不同的破壞機構和形態(tài)，影響結構的高溫極限承載力。第三節(jié) 混凝土

30、結構耐火與高溫試驗技術一、建筑構件的耐火試驗1建筑構件的耐火類別混凝土構件多種多樣，但從其耐火性來分，主要包括分隔構件、承重構件以及具有承重和分隔雙重作用的承重分隔構件。對分隔構件，如隔墻、吊頂、門窗等，當構件失去完整性或絕熱性時，構件達到其耐火極限，即此類構件的耐火極限由完整性和絕熱性兩個條件共同控制。對承重構件，如梁、柱、屋架等，此類構件不具備隔斷火焰和過量熱傳導功能，所以由失去穩(wěn)定性單一條件來控制承重構件是否達到其耐火極限。對承重分隔構件，如承重墻、樓板、屋面板等，此類構件具有承重兼分隔的功能，所以當構件在試驗中失去穩(wěn)定性或完整性或絕熱性任何一條時，構件即達到其耐火極限。可見，它的耐火極

31、限由三個條件共同控制。對建筑構件進行耐火試驗的目的是為了確定這些構件抵抗火燒的能力，即構件的耐火性能。為檢驗混凝土結構的耐火極限，需要按照標準的方法與程序進行耐火試驗。對于不同種類的混凝土構件，要采取各自不同的試驗裝置。2建筑構件的耐火試驗條件構件在受火作用時的實際性能與其經受的溫度歷程、荷載與約束條件等因素有關。為了具有可比性，需要按照這些標準試驗條件進行試驗。建筑構件耐火試驗方法（GB/T 99781999）規(guī)定了標準耐火試驗應遵守的升溫條件、壓力條件、加載條件、約束條件、受火條件和試件要求。只有這樣，所得耐火極限才是可靠的。（1）升溫條件耐火試驗采用明火加熱，使試件受到與實際火災相似的火

32、焰作用。試驗時，爐內溫度的上升隨時間而變化，按下式控制； （1）式中，t是升溫時間（min），是t時刻的爐溫（）；是爐內初始溫度（），應在540范圍內。由式（l）繪制的曲線稱為標準時間-溫度曲線（如圖1）。目前，世界上大多數(shù)國家都采用這條曲線來進行建筑構件的耐火性試驗。在試驗中，由于操作及自動控制水平等多方面的原因，要使爐溫完全按標準時間-溫度曲線升溫是有困難的。定義爐溫偏離標準溫度曲線的偏差值為： （2）式中，A為實際平均爐溫曲線下的面積，為標準溫度曲線下的面積。這兩個面積采用數(shù)值計算方法，其中時間間隔應符合：在試驗開始10min內不超過1min，在1030min內不超過2min，在30mi

33、n以后不超過5min。對于實際溫度曲線偏離標準曲線的程度，試驗標準規(guī)定：當10min時，15%；當1030min時，10%；當30min時，5%。除爐溫按式（1）升溫外，還盡可能保持爐內溫度均勻一致。試驗標準規(guī)定，在試驗開始10min后的任何時刻，爐溫單點最大偏差不應大于100。（2）壓力條件為了在爐內與構件背火面之間形成一個壓力差，以便觀測試件的完整性是否被破壞，試驗標準規(guī)定了爐內的壓力條件。試驗開始5min后，爐內應達到以下規(guī)定的正壓條件：a水平構件在試件底面以下100mm 處的水平面上，爐壓為15Pa5Pa；b垂直構件在爐內3m高度，離試件表面100mm處，爐壓為15Pa5Pa。試驗開始

34、10min 后，爐內應達到以下規(guī)定的正壓條件：a水平構件在試件底面以下100mm 處的水平面上，爐壓為17Pa3Pa；b垂直構件在爐內3m高度，離試件表面100mm處，爐壓為17Pa3Pa。（3）加載條件加載的大小，可按下述三種情況選定：試件的工作荷載，試件的設計荷載，根據(jù)試件材料的實測力學性能和由現(xiàn)行設計方法確定的試驗荷載。由于工作荷載、設計荷載和試驗荷載是有差別的，所以實際加載應在試驗報告中予以注明。構件的試驗荷載，應在試驗前一次加足，并在試驗過程中保持其大小及方向不變。對于不同的構件，應分別按下述型式加載：a. 墻垂直加載。荷載沿著試件的整個寬度，通過加載梁均勻施加或用千斤頂在選定的各點

35、上施加。b. 梁垂直加載。在梁的計算跨度的1/8、3/8、5/8、和7/8 處四點加載，加載點的最小間距為1m。荷載應通過荷載分配板傳遞到梁上，分配板的寬度不超過100mm。c. 柱垂直加載。中心受壓柱，應沿試件軸線方向加載；偏心受壓柱，應采用偏心加載或偏心加載與軸心加載相結合的方法進行加載。d. 樓板、屋頂均勻加載，其任何單點的荷載不應超過總荷載的10。如果必須模擬集中荷載，則加載頭與樓板或屋頂表面之間的接觸面積分別不得大于400cm2 或總表面積的16。（4）構件的約束及邊界條件對于非承重構件，當構件實際使用中不受邊緣約束時，則在試驗中試件邊緣用無約束作用的材料密封；當構件實際使用中受邊緣

36、約束時，則在試驗中試件邊緣應能反映實際使用情況。對于承重構件，應能反映實際情況。如梁兩端可做成鉸支、固定或彈性連接。（5）受火條件a. 墻一面受火；b. 梁兩側和底部三面受火；c. 柱垂直方向的所有面受火；d. 樓板、吊頂與屋頂下面受火。（6）試件要求試件所用的材料、制作工藝、拼接與安裝方法，應足以反映相應構件在實際使用中的情況。構件在使用中如有接縫或接點，則在試驗中應該反映。如果接縫或接點的距離大于3m，試件就至少要包括一個垂直接縫和一個水平接縫。同時，在同一試件上，不允許有不同的接縫方式，應按每種接縫方式作相應的試驗。墻上如果設有電器盒、穿管、電纜等輔助裝置時，則應包括在試件之中。為使試驗

37、能夠進行而做的安裝型式的修改，應對試件無重大影響，并應對修改作詳細說明。試件應與實際使用的尺寸相同。如果構件大于試驗爐所能容納的尺寸，則該試件在爐內暴露部分的尺寸不應小于下列規(guī)定：a墻高3m、寬3m；b梁計算跨度4m；c柱高3m；d樓板、吊頂與屋頂長4m、寬3m。試件數(shù)量為1個，按實際約束/邊界條件進行試驗，但通常情況也可按無約束/邊界進行試驗：a. 墻兩側都要求耐火的不對稱結構構件，應分別對兩側進行試驗。如果預先能夠確定其中一側為耐火薄弱面，也可只對薄弱面進行一次試驗；b.梁按實際約束條件進行試驗，通常情況下按無約束條件處理；c.柱按實際約束條件進行試驗；d.樓板、吊頂與屋頂按實際約束條件進

38、行驗證，通常情況按無約束條件處理。試驗時，構件強度應達到設計強度。由于含水率會影響構件內熱傳導，所以試驗時構件濕度應與實際使用的構件狀態(tài)相近。對濕法生產的構件應進行干燥，干燥溫度應低于構件使用材料的臨界溫度，且不能改變組合材料的性質。厚度小于20mm的濕法生產的構件，干燥時間不得少于4周，且厚度每增加10mm，干燥時間另增加1周。3建筑構件的耐火試驗裝置建筑構件耐火試驗裝置，包括耐火試驗爐、燃燒系統(tǒng)、加載設備、測溫儀器、測壓儀器、變形測試儀器以及試驗框架等。（1）耐火試驗爐耐火試驗爐是建筑構件耐火試驗的主體設備，應滿足試件的最小尺寸、升溫條件、壓力條件以及便于試件安裝與試驗觀測等要求。根據(jù)建筑

39、構件的不同形式，試驗爐有如下三種型式： a. 墻爐（圖6）用于各類墻體、門窗等構件的耐火試驗。它象一個狹窄的房間，后面及兩側的墻固定，前面敞開便于安裝試件。b. 柱爐專門用于柱子的耐火試驗，建造的形式多樣。如英國保險商協(xié)會研究所的柱爐是對開式的，它由兩個半圓形的爐體組成，一半固定，另一半下面裝有輪子，可在軌道上移動。向柱加載的壓力機活塞安在爐座上面，由下向上加壓。c. 梁板爐用于樓板、屋面板、梁、吊頂?shù)葮嫾哪突鹪囼灐Ｋ闹芄潭?，爐蓋可移動更換，便于安裝不同類型的構件。圖6 墻爐平面示意圖（2）燃燒系統(tǒng)構件耐火試驗時，所耗熱量是由燃燒系統(tǒng)燃燒油料提供的。燃燒系統(tǒng)的功能直接影響到爐內升溫條件和爐

40、內溫度的均勻性。a. 燃料的選擇：燃燒爐內要模擬火災的燃燒狀況。既要明火燃燒，又要按標準升溫曲線升溫，所以對燃料要求比較嚴格。天燃氣、煤氣等氣體燃料，便于控制和調節(jié)，易于同空氣混合，燃燒充分，煙塵少，對大氣污染小，是耐火試驗的理想燃料。在條件允許時，應優(yōu)先選用這類燃料。當無條件選用氣體燃料時，輕柴油也可選用。但其凝固點，要低于冬天室內最低氣溫，否則，燃油可能會在油管中凝固，有礙于試驗進行。b. 噴嘴的設置：噴嘴是把燃料噴入爐內燃燒的關鍵組件。燃料和壓力空氣在此充分混合，以霧狀噴入爐內燃燒。為了滿足爐內升溫迅速、溫度均勻、便于調節(jié)的要求，噴嘴應小而多，且噴口要互相錯開。c. 爐溫控制: 由于標準

41、溫度曲線升溫快，尤其在開始30min內升溫更快，而且在試驗中升溫速度還不斷變化，試驗因此要對升溫加以控制。爐溫控制的方法主要是通過增減燃燒噴嘴的數(shù)量，調節(jié)噴嘴的油壓及風壓，調整煙道閘板的位置。（3）加載設備加載設備可采用液壓方式、機械方式或荷重塊方式，它們應滿足下列要求：a加載設備應能模擬均布荷載、集中荷載、軸心荷載和偏心荷載：b試驗期間，試驗荷載的大小、方向應保持穩(wěn)定不變；c設備本身變形不應對試件變形測量、熱電偶絕緣墊的使用產生影響；d測量設備應不影響試件背火面的空氣流通和冷卻以及妨礙其他項目的測量、觀察和操作。（4）測溫儀器a. 爐內溫度測量采用絲徑為0.751.00mm 的熱電偶，其熱端

42、伸出套管的長度不少于25mm。試驗開始時，熱電偶的熱端與試件受火面的距離應為10010mm；試驗過程中，上述距離應控制在50150mm 之內。熱電偶應保持良好的工作狀態(tài)，累計使用20h后，應使用熱電偶校驗機校驗。試驗過程中標準溫度、單點溫度、平均溫度以及偏差溫度應能隨時顯示。b. 試件背火面溫度測量采用絲徑為0.5mm 的熱電偶，其熱端應與直徑為12mm、厚度為0.2mm 的圓形銅片的圓心焊接。銅片用長、寬均為30mm、厚度為2.00.5mm 的石棉襯墊或類似材料覆蓋，該材料的密度為900100kg/m3、導熱系數(shù)為0.1170.143W/(m.K)。石棉襯墊或類似材料可用耐熱膠粘貼在試件表面

43、上，但銅片與試件表面之間不應有任何殘留膠漿。熱電偶產生的電信號可經溫度變送器或直接送到記錄儀或計算機，試驗過程中，平均溫度、單點溫度應能隨時顯示。c. 試件內部溫度測量采用與被測溫度范圍相適應的熱電偶。應把熱電偶安裝在試件內部選定的部位，但不能因此影響試件的性能。熱電偶的熱端應保證有50mm 以上的一段處于等溫區(qū)內。（5）爐壓測試儀器可采用壓力傳感器。傳感器應能準確測量靜壓頭，不應布置在易受火焰或煙氣直接沖擊的地方。爐內壓力可通過控制通風和調節(jié)煙道閘板來調節(jié)。（6）試件變形測試儀器可采用機械、力學、光學或電子技術方式測量。（7）儀器、設備精度a. 溫度測量設備：爐內溫度，15；試件背火面溫度，

44、4；試件內部溫度，10；b. 爐壓測量設備：3Pa；c. 荷載測量設備：應加荷載值的2.5；d. 時間測量設備：2s；e. 試件變形測量設備：軸向收縮或膨脹，0.5mm；其他變形，2mm；f. 試件縫隙測量探棒：直徑6mm的，0.1mm；直徑25mm的，0.2mm。4建筑構件的耐火試驗程序（1）試件設計、安裝、加荷試件的安裝應滿足約束及邊界條件和受火條件，并應滿足最小尺寸限制。承重構件應至少在試驗開始前15min加荷到試驗值，并保持恒定不變。如采用自動調節(jié)方法維持荷載的恒定，該系統(tǒng)應進入工作狀態(tài)。在試驗過程中，當試件出現(xiàn)變形時，應具有快速響應能力，以保持荷載恒定不變。如果試驗結束時試件尚未破壞

45、，應立即卸荷。（2）試驗的開始與結束試驗開始之前，應檢查熱電偶記錄下來的環(huán)境溫度。當試驗爐內接近試件中心的熱電偶記錄到50時，便可將該時刻作為試驗的開始時間；同時所有手動及自動測量觀察系統(tǒng)都應開始工作。試驗應按有關規(guī)定進行測量和記錄。當試件達到耐火極限的判定條件時，試驗應立即終止。但當試驗目的是驗證構件的耐火極限是否能達到某個給定值，雖沒出現(xiàn)判定條件所指出的狀態(tài)，但已達到給定的時間時，試驗也可結束。（3）測量與觀察a. 爐內溫度的測量溫度測量應連續(xù)進行或每隔2min測量一次。熱電偶的布設規(guī)定如下：對水平或垂直分隔構件試件，表面1.5m2范圍內至少有一個熱電偶，熱電偶總數(shù)不得少于5個；對橫梁，在

46、每隔1m長度上至少有2個熱電偶，熱電偶總數(shù)不得少于6個；對柱子，在每隔lm高度上至少有1個熱電偶，熱電偶總數(shù)不得少于6個，呈螺旋形布置。b. 試件背火面溫度測量溫度應連續(xù)測量或每隔2min進行一次。熱電偶按下述規(guī)定布置：水平或垂直分隔構件，熱電偶數(shù)量不得少于5 個，其中一個設在試件的中心，其余分設在試件各四分之一部位的中心。熱電偶應距離接縫、邊緣、螺栓、螺釘頭以及金屬連接件至少50mm。對于瓦垅或肋形結構，熱電偶的數(shù)目可以增加，最厚處和最薄處的熱電偶數(shù)目應相同，但試件槽溝或凸脊的尺寸應滿足熱電偶與該試件表面完全接觸。背火面的平均溫升計算時，如有某個熱電偶失靈，可用其余平均值。c. 試件內部溫度

47、測量測量應按前述有關規(guī)定連續(xù)進行或每隔2min進行一次。d. 爐內壓力測量測量應連續(xù)進行或每隔2min測量一次。e. 試件變形的測量從加載開始至試驗結束，試件變形應連續(xù)測量。對墻，測量其中心點水平方向的變形值；對板，測量其中心點垂直方向的變形值；對梁，測量其跨中垂直變形值；對柱，測量其軸向變形值。f. 試件完整性的測量在試驗過程中，當試件有火焰和氣體在孔洞或其他空隙出現(xiàn)時，都應在這些出現(xiàn)處用棉墊進行測量。棉墊與試件之間保持2030mm的距離，并應將棉墊中心靠近裂紋，測量時間1030s。如果棉墊前一次使用時已經吸潮或被燒焦，就不應再使用。棉墊尺寸為長100mm、寬100mm、厚30mm。棉墊應由新的、未染色的柔軟棉纖維制成，不應混有人造纖維，其重量為34g。棉墊使用前應先放入1055的干燥箱中，干燥時間不得少于30min。干燥后在干燥箱內存放24h。在