火灾对钢筋混凝土构件的影响以及灾后的检测和加固优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

国内图书分类号 国际图书分类号 t u 7 4 6 1 硕士学位论文 火灾对钢筋混凝土构件的影响以及灾后的 检测和加固 硕士研究生 导师姓名 申请学位级别 学科 专业 所在单位 答辩日期 学位授予单位 1 一 c i a s s i f i e di n d e x u d c t u 7 4 6 1 d i s s e r t a t i o nf o rt l l em a s t e rd e 伊e ei 1 1e n g i l l e e m g f i r ee f f e c t so nr e f o r c e d c o n c r e t es t r u c t u r e sa sw e l l a s t e s t i n ga n ds t r e n g t h e n i n g c a n d i d a t e s u p e r v i s o r p os t d i s a s t e r w a n gh o n g l o n g a s s o c i a t ep r o l ix i a o d o n g a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 钾 s t l l l c t u r a l e n g i n e 耐n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n d e c2 01o u n i v e r s 蚵 q i n g d a ot e c l u l 0 1 0 9 i c a lu 1 1 i v e r s i t y 硕士学位论文 火灾对钢筋混凝土构件的影响以及灾后的 检测和加固 学位论文答辩日期 指导教师签字 答辩委员会成员签字 独创性声明 指导下进行的研究工作及取得的 致谢的地方外 论文中不包含其 获得青岛理工大学或其它教育机 的同志对本研究所做的任何贡献 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 c d m d 和d m d 有权保 留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手 段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保 密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内 容 论文的公布 包括刊登 授权青岛理工大学研究生处办理 研究生签名 青岛理工大学工程硕士学位论文 目录 摘要一 i a b s t r a c t 一 i i i 第1 章绪论 1 1 1 研究的背景 目的和意义 1 1 1 1 研究的背景 1 1 1 2 研究的目的及意义 2 1 2 国内外研究应用现状 3 1 2 1国外研究现状 3 1 2 2 国内研究现状 5 1 3本文研究的内容 5 第2 章火灾对钢筋混凝土建筑材料性能的影响 7 2 1火灾对钢筋混凝土的影响 7 2 1 1影响机理 7 2 1 2 混凝土在高温作用下的破坏现象 9 2 2火灾中温度对钢材的影响 1 0 2 2 1 影响机理 1 1 2 2 2 i i i 级热轧钢高温后强度和弹性模量 1 2 2 3 火灾作用下钢筋和混凝土之间的粘结性能 1 3 2 3 1影响机理 1 3 2 3 2 高温后钢筋和混凝土之间的粘结强度 1 4 2 4 火场温度对钢筋混凝土构件板的影响 1 5 2 4 1火灾中火对梁的影响 1 5 2 4 2 火灾中火对钢筋混凝土柱子的影响 1 6 2 5 火灾中各种因素对钢筋混凝土构件的影响采取的措施 1 6 第3 章钢筋混凝土柱抗火简化计算研究 1 7 3 1 受火钢筋混凝土柱简化计算的一般方法 1 7 3 1 1 等效截面法 1 7 3 1 2 基于软件分析的方法 2 0 3 2 本文提出的四面受火柱的简化计算方法 2 2 3 2 1受火钢筋混凝土柱极限承载力简化计算的公式推导 2 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 2 2 实例验证 3 3 我国钢筋混凝土柱抗火设计的现状与发展 3 3 1 基于耐火试验的结构抗火设计方法 3 3 2 基于计算的结构抗火设计方法 3 3 3 基于性能的结构抗火设计思想及其基本要求 3 4对我国钢筋混凝土柱抗火设计的建议 3 5 本章小结 第4 章火灾后钢筋混凝土构件承载力的检测和评估 4 1火灾后建筑结构的评估与修复程序 4 2 现场调查及火灾温度判定 3 2 4 2 1 现场调查 3 2 4 2 2 火灾温度的判定 3 3 4 3 火灾后材料及结构性能的检测 3 6 4 3 1 混凝土强度的检测方法 3 7 4 3 2 钢筋强度的测定 3 9 4 3 3混凝土构件变形测量和结构性能试验 4 0 4 4 火灾后结构受损程度的综合鉴定 4 1 4 4 1火灾后结构损伤程度的分析依据 4 1 4 4 2 火灾后结构损伤等级的评定标准 4 2 第5 章钢筋混凝土结构的修复加固技术与加固方法 4 5 5 1加固设计的基本原则 4 5 5 2 钢筋混凝土结构的加固方法 4 6 5 2 1 增大截面加固法 4 6 5 2 2 外包钢加固法 4 7 5 2 3 预应力加固法 4 7 5 2 4 外部粘钢加固法 4 8 5 2 5 增设支点加固法 4 8 5 2 6 化学灌浆补强法 4 9 5 2 7 水泥压浆补强法 4 9 5 2 8 喷射混凝土补强法 4 9 5 2 9 粘贴纤维材料加固法 5 0 5 3 结语 5 0 第6 章具体工程实例分析 5 1 6 1工程实例一 5 1 n 青岛理工大学工程硕士学位论文 6 2 工程实例二 5 4 6 2 1 结构构件损坏程度的检测 5 4 6 2 2 检测结论 5 4 6 2 3 加固设计方案 5 5 6 2 4 加固施工 5 6 第7 章结论与展望 5 8 7 1结论 5 8 7 2 展望 5 8 参考文献 6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作 6 3 致谢 6 5 i i i 1 0 0 o 一 青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 火灾除了造成人类生命和财产的巨大损失之外 对建筑结构本身的损伤和破 坏也是非常严重的 特别是近年来 由于建筑物高层化 大规模化及用途的复合 化 建筑火灾的发生呈逐渐上升的趋势 而在各种建筑结构中 钢筋混凝土结构 占有最大的份额 迄今为止 国内外对混凝土结构构件抗火性能的研究工作还是 比较有限的 对火灾后受损结构的综合鉴定和评估也处于摸索阶段 目前我国尚 无明确的规范或规程可循 还不能适应工程建设发展的需要 因此 对火灾后建 筑结构受损程度的检测与鉴定以及修复设计方案优化的研究在国内外都引起了足 够的重视 其理论与实践的深入研究具有重大的社会意义和经济效益 本文收集整理了国内外现有的关于钢筋混凝土结构的火灾文献记录 结合工 程实践经验和具体的工程实例 对火灾后钢筋混凝土结构的材料力学性能及构件 承载能力的变化 受损结构的检测与鉴定方法以及结构加固计算与设计等方面进 行了系统分析和归纳总结 在此基础上 重点对火灾后钢筋混凝土结构的检测方 法 受损程度的综合鉴定标准以及修复加固设计方案等进行了研究和探讨 提出 了一些有效的方法和建议 为日后的建筑火灾实际工程研究和修复加固设计提供 一些参考 本文首先从分析钢筋混凝土材料和构件的抗火性能入手 总结了钢筋和混凝 土材料在火灾高温作用下力学性能的变化规律 进一步阐述了钢筋混凝土结构构 件的抗火性能和承载力变化规律 建筑物火灾温度的判定是一件复杂的工作 本 文分析了判定火灾温度的具体方法 然后系统地归纳了火灾后材料及受损结构的 各种检测方法 并分析了各自的优缺点和适用范围 同时总结出混凝土结构和构 件的火灾损伤等级及其评定标准 可供实际火灾工程受损结构的检测与鉴定以及 修复加固应用 本文还重点探讨了火灾后混凝土构件的剩余承载力计算 混凝土 结构的常用加固方法 加固计算理论以及加固方案设计等问题 最后 本文将上述理论研究成果具体应用到火灾工程实例中 在工程实例中 本文深入研究了以下内容 1 针对火灾后混凝土结构受损情况应用多种检测方法进行现场检测 1 2 2 综合火灾现场调查和检测结果给出了该工程各种受损构件的损伤鉴定及承 青岛理工大学工程硕士学位论文 载力可靠性结论 1 3 3 取典型受损混凝土构件 如 框架梁 柱为研究对象 分析其火灾受损现象 及抗火性能 给出了一些验证性的结论 4 根据鉴定结果提出了本工程修复加固建议 确定具体加固方法 并进行了 加固方案设计 关键词 火灾混凝土结构检测损伤等级剩余承载力加固 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t b e s i d e sn l ee t c i l s i v ed 锄a g eo f p e o p l e sl i v e s 锄df o m m eb r o u g h tb ym ef h m ee 毹默弛dd e s 咖c t i o ni sa l s o 咖r d i n a 巧s e v e r e e s p e c i a l l yr e c e n t l yy e a r s i mt h e b u i l 血gh i 曲s t r a t i f i c 撕o n 也eb i gf o 彻a l i z 撕o n 锄dt l l eu s e r e c o m b i i l c d m et d e l l c y o f l eb u i l d i n gf i r eo c c u 玎i e l l c ei su p w a r d b u ti 1 1a 1 1b n d so fb u i l d i l l gs 仃u c t i l r e s 也e 删 m f o r c e dc o n c r e t es 仃1 l c t i l 旧h o l d st 1 1 eb i g g e s ts h a r e u pt 0d a t e 廿1 er e s e a r c h e si i lt 1 1 e f i r er e s i s t a n tc h a r a c t e ro fm ec o n c r e t es 加l c t u r ec o m p o n e l l t sa r eq u i t el i i n i t e da th o m e a n da b r o a d a n dn l ei d e i l t i f i e ds y i l t l l e s i s 锄da p p r a i s a lt ot h ed a m a g e 咖曲鹏m e r j e i r e i sa l s oa tn l e 丘蛐b l es t a g e a tp r e s 衄t n l e r ei s n te x p l i c i ts t a i l d a r d sa n dr e g u l a t i o n st 0 f o l l o wi no u rc o l l n n y 趾dc o u l dn o tm e e tt 1 1 en e e d so f 锄百n e e r i n ge v e l o p m e i l t t h e r e f o r e m er e s e a i h e si i l 也ee x a m i n a t i o ni d e n t i 助n ga n d0 1 t i m i z i n gs 6 h e m eo f 彻1 0 v a t i o nd e s i 伊o ft l l es 咖c t l 鹏d 锄a g ed e 伊 m e rf i r e a r cb e i n gp a i dc n o u 曲 a t t e l l t i o na th o m e 缸da b r o a d t l l ed e 印r e s e a r c ht oi t st l l e o 巧锄dp r a c t i c eh a l st l l e s i g n j f i c a n ts o c i e 够锄de c o n o m i cb e n e f i t t h ef i r el i t e r a t u r ea b o u tm er e i n f o r c e dc o n c e r e ts 仃u c m e r ee x i s t e da th o m ea i l d a b r o a da r ec o l l e c t d 趾dr e o r g 锄i z e di nm ep 印既a p p l y 锄di n d u c ct h a tt h em a t 甜a l s m e c h a m c sp e r f o m 锄c eo fm e 而n f o r c c dc o n c r e t es 仃u 曲盯e 搬e r 缶ea i l dt 1 1 ec h a l l g eo f m e 唧o n e n tb e 撕n gc 印a c i t r t h ee x 锄i n a t i o n 锄da p p r a i s a lm e m o d o ft 1 1 ed 锄a g e a n dt 1 1 ec o m p u t a t i o na 1 1 dd e s i 萨o fm es 仃u c t l l r er e i n f o r c e m e n t 锄ds o0 nc o m b i n e dm e p r o j e c te x p 谢e n c e 锄d 也ec o n c r e t ep r o j e c tc x 锄p l e o nn l eb a s e s t h ee x 锄i n a t i o n m 甜l o do ft h er e i n f o r c e dc o n c r 政es t l l l c t u r e t 1 1 es y n t h e s i sa p p r a s i s e m e l l ts 切n d a i do fn l e 妇n a g ed e 乒e ea i l dm er 印a i r 锄dr e i n f o r c e m e n td e s i g np r o p o s a l a r e r 丘r ea r e r e s e 诎e da n dd i s c u s s e d a n da sr e f e r e n c e sf 0 rt 1 1 ec o n s t m c t i o n 右r ea c t u a le n 百n e 锄g r e s e a r c h 觚dt l l er 印a i rr e i n f o r c e m e n td e s i g ni n 也e 向t 1 1 r e s o m ee f f b c t i v em e t l l o d sa 1 1 d s u g g e s t i o n sa r ep r o v i d e d t h ef i r er 耐s t a i l tp e r f o m a n c eo fm er e i n f o r c e dc o n c 鲥em a t 耐a l 锄dc o m p o n 饥t i sa i la 1 z c di i lm i sp a p 娜m m 撕z em em e c h a n j c sp e r f o m a n c ec h a i l g em l e so ft h es t e e l a i l dt h ec o n c r e t em a t 甜a 11 l i l d e rt h eh i 曲t 锄p t u l e 如n c t i o n e l a b o r a t et 1 1 ef i r er e s i s t 锄t p e r f o 珊a i l c e 觚dt h es u p p o r t i n gc 印a c i t yc h 锄g en l l eo fm er e i n f o r c e dc o n c r c t e 仉l c n 玳 i i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 c o m p o n 钮t t h eb u i l d i i l g 丘r et e m p e r 叽鹏 sd e t 锄i i l a t i o ni sac o m p l e xw o r k s o 廿l e c o n c r e t em e t l l o do fd e t e 锄 i n i n g 丘r ct e l n p 蹦抛r ci s a i l a l y z e di nm ep a p 盯 o n s f 0 l l i l d 撕o n s y n t h e s i ss u m m 撕z em ee x 锄i n a t i o nm e 吐l o d so fm a t 耐a la i l dt l l ed 锄a g e s t r u c t l l r ea j f i e rf i r e a 工la 1 z et 1 1 e i rr e s p e c t i v em 甜t s 锄dd i s a d v a l l t a g e s 锄dm ep p l i c a b l e s c o p e s s i m u l t a n e o u s l y t l l e6 r cd a m a g e sr a n k sa n dt l l e e v a l u a t i o ns 伽d 裥o f l e c o n c r e t es t l l l c t i l r ea i l dc o m p o n e n ta r es u m m a r i z e d t h i sa r ca p p l i c di nt l l ea 炯l a l 岛陀 p r o j e c t 也ed a m a g es 饥l c t u r ee x a mi n a t i o na n dt l l e 印p r a i s a l 弱w e l l 雒t h er 印a i r r e i n f o r e e m e n t a tt 1 1 es 锄et i m e w i t h 锄p h a s i sm ec o m p u t a t i o no fr e s i d u a lc a p a c 时o f m ec o n e r c t e t l l ec o n c r e t es 饥l 咖r ec o m m o n l yu s e dr e i n f 0 r c e i 1 e n tm e t l l o d s m e r e i n f o r c e m e i l tc o m p u t 撕o nn l e o r ya i l dt 1 1 er e 洫f o r c e m e n tp r o j e c td e s i 弘a r e rf i r ea r e s t u d i e de m p h a s i si nt h ep a p e l f i n a l l y 也ea b o v er e s a c r h e sa r ea p p l i e dt 0m ef i r ep l j o c e te x 锄p l e t h es t l l d i e s m a 证l yc o n c l u d e 1 m 趾y1 i n d so fe x 锄i a i l t i o nm e h t d e sa r cu s e di i lt 1 1 ec o n c r c t es 饥l c n 肛 cd 锄a g e s i t u a t i o n 甜t c r1 f i r e 2 b a e s do nm ef i r e s c e i l c ei n v e s t i g a t i o na i l dm ee x 锄i n a t i o ne r s u l t t 1 1 e c o n c l u s i o n a b o u t 也ed 锄a g ea p p r a i s a lo ft h e 删e c t 7 sd 锄a g ec o m p o n e n ta n dt h er e l i a b l e s u p p o n i n gc 印撕t ra r eg i v 饥 3 t 0t h em o d e ld 锄a g ec o n c r e t ec m o p o n e i l ts u c h 嬲缸i n l eg i r d e ra n dt h e c o l m u n 趾a 1 z ei t sf i r ed a m a g es i t u a 廿o na n dt h ef n r e s i s t a n tp 酬f o m a i l c e a n ds o m e c 0 n 矗m a t i o na r 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统计表明 建筑物火灾占火灾总数 的6 0 左右 而居住建筑物火灾在建筑结构中所占的比例更高 以1 9 9 3 年为例 全年共发生火灾3 8 0 7 3 起 火灾损失1 6 亿元 其中建筑物火灾次数为2 8 4 起 火灾损失为9 7 亿元 分别占总数和火灾损失的7 4 8 和8 3 6 因此建筑火灾成 为主要的火灾种类 随着建筑形式的现代化 建筑防火问题日益为人们所瞩目 如果建筑结构由 可燃材料制成 如木结构 则发生火灾时 结构本身产生燃烧 不断的削弱构件 截面 势必造成结构倒塌 在现代建筑中大量采用的钢筋混凝土和钢结构 材料 本身不燃 但由于火灾的高温作用 也会造成结构失效倒塌 另外 即使建筑结 构没有失效 倒塌 但肯定要受到损伤 承载力有不同程度降低 为了继续使用 需进行防火计算 以便加固补强 青岛理工大学工程硕士学位论文 近几十年来 国外在这方面的研究工作己日趋成熟 由于社会经济等因素的 影响 我国的建筑防火研究起步较晚 至今尚未形成完整的研究体系 目前尚处 于试验研究阶段 我国现行规范 建筑设计防火规范 和 高层民用建筑设计防 火规范 采用下述方法进行结构耐火设计 1 根据建筑物的重要性 火灾危险性 扑救难度 用途 层数 面积等选 择建筑物的耐火等级 2 由所选定的耐火等级确定相应承重构件的耐火极限 3 设计承重构件 由标准耐火试验校准构件实际耐火极限 如不满足重新 设计构件直至满足 这种通过试验来进行防火设计的方法存在以下缺陷 1 构件实际耐火极限的确定方法不够科学 现行防火设计方法完全依靠承 重构件的耐火极限保证结构耐火稳定性 而规范所给耐火极限主要依据在一定条 件下有限次试验结果所得 不能涵盖众多的影响构件耐火极限的因素 如加载量 值 构件材料性能变异 组分 强度 热参数 含水率 支撑条件的不同等 2 耐火极限要求不够合理 当耐火等级确定后 所用承重构件的耐火极限 依据受力特征被规定为定值 并不考虑不同房间的实际情况 当房间的火灾荷载 较大 开窗面积较小或内表面积较大 即通风性能较差 火灾时有效荷载较大时 规范所规定的耐火极限过低 反之则过高 3 耐火等级选择不易操作 目前 建筑物功能复杂 体量大型化 同一栋 建筑物的各个组成部分功能相差非常大 所以确定建筑火灾性状的火灾荷载差别 也非常大 同一栋大型综合楼 完全可能包括不同类型的房间 如住宅 办公室 商场等 由于火灾荷载的差别 设计者无法选择合理的耐火等级 4 试验的方法有其一定的随机性 为了消除随机性 一般都要做多个构件 来进行试验 造成资源浪费 不经济 总之 现行方法没有从实际出发要求构件的耐火极限 迫切需要一种新的防 火设计方法 特别是近年来 由于建筑物高层化 大规模化及用途的复合化 火 灾发生的因素也随之增加 火灾规模也日趋扩大 建筑防火作为建筑防灾的一个 分支越来越引起人们的重视 1 1 2 研究的目的及意义 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 进行建筑防火设计的目的是 减少火灾发生的概率 避免或减少人员伤亡 减 少火灾直接经济损失 而进行结构防火设计的意义则为 1 建筑物发生火灾时 确保其能在一定的时间内不破坏 不传播火灾 延缓 和阻止火势的蔓延 2 为人们安全疏散提供必要的疏散时间 保证建筑物内人员安全脱险 建筑 物层数越多 疏散到地面的距离就越长 所需疏散时间也越长 为了保证建筑物 内人员安全疏散 在设计中除了要周密的考虑完善的安全疏散设施外 还要做到 承重构件具有足够的耐火能力 3 为消防人员扑救火灾创造有利条件 扑救建筑火灾 消防人员大多要进入 建筑物内进行扑救 如果其主体结构没有足够的抵抗火烧的能力 在较短时间内 发生局部或全部破坏 倒塌 不仅会给消防扑救工作造成许多困难 而且还可能 造成重大伤亡事故 4 为建筑物火灾后重新修复使用提供有利条件 在通常情况下 其主体结构 耐火能力好 抵抗火烧时间长 则其火灾时破坏少 灾后修复快 如韩国 大然 阁 旅馆 其主体结构是型钢框架外包混凝土的劲性钢结构 采用钢筋混凝土楼 板 发生火灾后 大火延烧了8 个多小时 其主体结构依然完好 又如巴西 安 得斯 大楼为钢筋混凝土框架结构 大火延烧了十几个小时 其内部装修和其他 可燃物品全部烧光 但其主体结构基本完好 这两座高层建筑在事后都进行了修 复 重新使用 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 国外研究现状 建筑结构防火是建筑科学和火灾科学交叉学科 1 9 世纪中叶 西方国家的工程师率先将近代机械和电器技术应用于火灾预防 与扑救 发明了早期的自动喷水灭火装置和火灾自动报警装置 直到2 0 世纪初 随着化学与化工技术的发展 建筑结构及材料的防火技术也逐渐成为一个重要的 研究领域 2 0 世纪中期以来 物理学 燃烧学 流体力学和计算机技术等学科的 进展 为开展火灾形成机理和成灾规律的研究提供了条件 5 0 年代 美国哈佛大 学的艾蒙斯教授提出了火灾模化的理论 为火灾科学的研究奠定了基础眨3 1 9 8 4 年 英国爱丁堡大学庄斯戴尔出版了专著 火灾动力学 第一次对火灾科学的理 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 论体系进行了系统的阐述 火灾科学的建立和发展 为消防科学技术发展成为一 门独立学科奠定了理论基础 同时也促进了消防新技术 新产品的开发研制 1 9 5 6 年 美国马里兰大学设立世界上第一个 消防工程系 并于当年开始招 收本科生 从此 消防工程作为一门独立的专业进入了高等学府的知识殿堂 继 马里兰大学之后 英国爱丁堡大学也于1 9 7 3 年成立了 消防工程系 并开设了 世界上第一个硕士研究生班 进入8 0 年代后 随着消防科技理论与应用的发展 国外大学的消防工程专业教育也取得了相当快的进展 迄今为止 许多发达国家 和一些发展中国家都已在大学开设 消防工程 专业课程 提供正规化的学历教 育 可授予学士 硕士和博士学位 英国消防研究所成立于1 9 4 7 年 但是 在英国 关于 灾难性 火灾的现代 研究工作可以追溯至十九世纪末 当时由英国消防委员会和火灾保险公司委员会 f o c 共同协办下建立的试验测试场己开始运作 主要负责检测各种产品和装置的 耐火性能和灭火性能 1 9 3 2 年出版了英国标准b s 4 7 6 即 英国建筑材料与结构 的耐火性 不燃性和难燃性定义标准 1 9 3 5 年隶属于火灾保险公司委员会的一间 新测试场在英国的哈德福郡波尔亨沃特镇正式成立 它为英国建筑研究所 b r s 建 筑材料和结构部件的耐火性能研究工作提供了试验测试手段 1 9 4 7 年由d s 瓜和 f o c 共同发起成立的联合消防研究组织最初开展的研究项目包括以下五个主要部 分 1 火灾统计调查 2 火灾的发生 发展和灭火 以及材料在火灾中的特性 3 建筑 飞机 船舶 汽车火灾的结构特性 4 特种火灾一一例如飞机在偏僻的 地方失事后造成的火灾 5 灭火器材和技术 3 1 由于统计学分析结果显示烟气吸入 是造成火灾死亡的重要因素 而且建筑有朝大型和高层发展的趋势 特别是封闭 式大型购物中心的发展使得火灾烟气的研究价值凸现 1 9 8 5 年 有英 美 日等国际著名的消防科学家发起 成立了国际消防安全 科学协会 并于1 9 8 5 年召开了第一次国际消防安全科学研讨会 现在 该协会已 发展成为世界性的消防学术交流组织 并每三年组织一次国际研讨会 为国际消 防科研领域的学术交流发挥了重要作用 我国消防界中有不少教授 专家多次出 席会议 并在会以上发表学术论文 有的专家还担任了该协会了领导职务 8 0 年代末以来 火灾科学的研究成果 特别是计算机模化 火灾安全评估等 方面的理论和应用技术成果 在建筑工程等领域得到越来越广泛的应用 产生了 一种防火设计新概念 即 以性能为基础的设计 大大丰富了 消防安全工程学 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 的新研究领域 1 2 2 国内研究现状 在我国 从1 9 5 6 年初设立消防局不久就开始消防技术的研究工作 7 0 年代 我国冶金工业部建筑究总院等单位编制了 冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设 计规程 这是我国第部有关钢筋混凝土结构抗火设计规程 公安部四川消防科学 研究所于1 9 7 2 年开展筑构件耐火性能的研究工作 并在1 9 7 3 年建立了2 座用轻 柴油为燃料的燃烧试验炉 对梁 板i 柱 墙 屋面板 吊顶等普通建筑构件的 耐火等级进行了试验研究 国建筑科学研究院建筑防火研究部等单位也作了许多 工作 但是由于经费等各种因的制约 我国开展这方面的研究工作进展不快 特 别对火灾工程结构受损 了解现场结构在火灾温度作用下受损程度的诊断和修复 方法的研究还刚刚开始 8 0 年中期开始 为了制定科学合理的建筑结构抗火设计 规范 清华大学 同济大学 西安交通大学等单位对钢筋混凝土结构在高温下的 反应以及灾后评估修复等问题进行了研究 并取得了较为丰富的成果 总之 二十世纪以来 建筑结构抗火研究取得了相当大的进展 并成为一门 综合性强 发展迅速的新兴学科 我国的建筑结构抗火研究经过5 0 多年的发展 取得了很大的成绩 为保护人民生产财产安全发挥了重要作用 1 3 本文研究的内容 多年来 国内外相关研究部门对火灾后混凝土材料及其结构的高温性能进行 了广泛深入地研究 已取得了一系列的研究成果 但是 迄今为止 国内外对混 凝土结构和构件抗火性能的研究工作还是比较有限的 由于火灾的不可预见性及 火灾作用的不确定性 结构试验还不能真实地模拟火灾的全过程 目前对火灾后 钢筋混凝土结构的综合鉴定和评估尚无明确的规范或规程可循 对火灾后构件剩 余承载力的计算及加固设计 虽然提出了一些方法及相应的计算公式 但其精确 性和可行性还有待进一步的分析和论证 本文在归纳总结前人研究成果的基础上 着眼于理论成果在工程实际中的应用 本文结合火灾工程实例 主要在火灾后钢 筋混凝土构件抗火性能分析 受火构件的检测与鉴定 修复加固计算与设计等方 面进行了系统分析和研究 提出了一些有效的方法和建议 为日后的建筑火灾实 际工程研究和修复设计提供必要的参考依据 本文研究的主要内容如下 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 1 一 1 对火灾高温作用下钢筋混凝土材料力学性能及钢筋混凝土构件抗火性能 的变化规律进行了系统地分析和总结 2 研究火灾温度的判定方法 归纳出目前最常采用的火灾受损结构的检测 方法 分析其优缺点 并针对受火后混凝土构件的特点 提出了一些有效的检测 手段 3 按照 民用建筑可靠性鉴定标准 b g 5 0 2 9 2 一1 9 的规定及实际检测结果 对受损构件进行鉴定评级 并给出了混凝土构件的火灾损伤等级及其评定标准 可供实际工程参考 4 对火灾后混凝土构件的承载力变化进行了研究 总结出针对不同受力状 态构件的剩余承载力计算公式 5 系统归纳了混凝土结构的常用加固方法 并对火灾后混凝土构件的加固 计算理论和加固方案设计进行了探讨 6 针对具体建筑火灾实例 利用本文提出的理论和方法进行了火灾温度判 定和受损构件的检测 根据检测结果对该工程受损结构构件进行综合鉴定及承载 力可靠性结论 提出了修复加固建议 并给出具体加固设计方案 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章火灾对钢筋混凝土材料性能的影响 建筑物发生火灾 不仅殃及整个建筑空间 使家具和设备等遭受破坏 而且 造成建筑结构 混凝土 钢材 木材等 的破坏 整体受灾程度将视火灾的规模 而定 同时 也可以根据各种建筑材料在火灾高温条件下的燃烧性能 变形和变 质情况来确定受灾程度 我国 混凝土结构设计规范 g b 5 0 0 1 沪2 0 0 2 对结构构件表面温度的规定 为 一般情况下不得超过1 0 0 特殊情况下不得超过6 0 0 当建筑物发生火灾 时 火灾产生的高温必定会超过上述规定 火灾高温作用会使钢筋和混凝土的力 学性能发生一系列的变化 如强度下降 弹性模量下降 徐变变形增加等 从而 使钢筋混凝土构件降低或丧失承载力 为了进行火灾后构件的剩余承载力计算和加固修复 本章对钢筋和混凝土在 火灾高温下力学性能的变化规律进行了研究 2 1 火灾中火对钢筋混凝土的影响 2 1 1 影响机理 混凝土结构在高温下的性能比在常温下要复杂得多 理论分析难度很大 这 是因为结构在环境温度变化的情况下形成了动态的不均匀温度场 高温使材料 混 凝土和钢筋 的强度和变形性能以及混凝土和钢筋的粘结作用严重劣化 又使结 构产生剧烈的内 应 力重分布 还因为温度和荷载 应力 有显著的耦合作用 效应 使材料的本构关系和构件受力性能随温度 荷载途径而有较大变化 火灾的作用造成混凝土的强度损失和变形性能恶化的主要原因有 1 水分 蒸发后形成的内部空隙和裂缝 2 粗骨料和其周围水泥砂浆体的热工性能不一 致 产生变形差和内应力 在界面形成裂缝 3 粗骨料本身的受热膨胀破裂等 这些内部损伤的发展和积累随着温度升高而更加严重 火灾中 混凝土微观结构发生改变 水泥石胶体分解等使混凝土的抗压强度 抗拉强度以及弹性模量随温度升高而呈下降趋势 不管有没有外荷载作用 火灾高温下混凝土均发生收缩 一般为干缩 且大 于热膨胀 有外荷载作用时 常温下发生徐变的速率很小 而火灾高温徐变速率 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 较大 温度的不均匀性 将使混凝土产生不均匀徐变 从而形成更大的内力重分 布 此外 混凝土在火灾高温下将发生蠕变和碳化 高温过火后混凝土强度的试验数据比较离散 强度模型之间存在较大差异 原因主要是高温试验技术的困难和缺乏统一的试验标准 混凝土试验数据比钢材 离散性大 因其属地方材料 力学和热工性能变化较大而且混凝土是非匀质 非 弹性材料 内部存在初始微裂缝和水分交换活动 影响其性能的因素众多 火灾后钢筋混凝土结构的混凝土强度损失大小 主要取决于构件受火温度的 高低 当受火温度低于3 0 0 时混凝土的水泥石内部发生蒸压作用 水泥颗粒的水 化作用加快 加速了水泥石的硬化作用 同时由于水泥石中的游离水被蒸发 使 水泥颗粒之间粘结紧密 所以 在受火温度不高时混凝土强度不一定降低 有时 还会有所提高 当温度超过3 0 0 以后 硅酸二钙脱水对水泥石的晶架起到破坏作 用 混凝土强度有些降低 当温度超过4 0 0 以后 水泥石的晶架结构轻微破坏 混凝土强度急剧下降 当温度再升高 氢氧化钙脱水分解 水泥石的微观结构受 到破坏 最终导致混凝土破坏 另外 火灾后的冷却方式对混凝土强度也有较大 影响 实际工程和试验结果均表明 用冷水冷却后的混凝土强度比自然冷却的混 凝土强度降低约5 1 0 这是因为经过火灾作用的混凝土突然受冷水作用使混凝 土内外产生较大的应力差 混凝土表面突然收缩 产生裂缝 从而降低混凝土强 度 混凝土骨料种类也影响混凝土强度的损失程度 一般来说 花岗岩骨料的混 凝土比石灰石骨料的混凝土强度损失大 而水泥品种对火灾后混凝土强度损失的 影响不显著 高温过火后混凝土的抗压强度比高温下要低 这可能是由于高温下水泥石中 氢氧化钙脱水生成的氧化钙在高温后又重新吸水生成氢氧化钙 从而产生体积膨 胀 加剧了混凝土内部结构的破坏 火灾后混凝土的弹性模量降低比强度降低程度大 且喷水冷却的弹性模量比 自然冷却损失大 混凝土强度等级对高温过火后弹性模量的损失影响不大 但骨 料品种影响显著 硅质骨料混凝土的弹性模量降低程度大于钙质骨料混凝土 火对钢筋混凝土的影响和损伤可以分为两种类型 一种是单个构件受到火的 直接灼烧 产生损伤 如构件表面混凝土爆裂脱落和烧伤层产生细微裂缝 另一 种是梁柱组成的整体结构由于升温不同 产生很大的结构温度应力而引起构件的 损伤 例如 许多钢筋混凝土构件受到火灾后 表面粉刷层基本剥落 梁和柱混 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 凝土表面产生大面积龟裂 局部混凝土爆落和主筋外露 混凝土表面呈现红色 灰色 黄色均有 预应力圆孔板的混凝土保护层剥落露筋 钢筋失去性能等现象 发生 这些现象都明显地表明了火灾现场温度 是火灾原因调查分析的依据 2 1 2 混凝土在高温作用下的破坏现象 2 1 2 1 剥落 火灾过程中 存在混凝土的剥落现象 当钢筋混凝土结构承受火灾作用时 如果其内部的水分不致引起剥落时 含湿量对混凝土的耐火极限是有利的 剥落 的出现与许多因素有关 如高浓度含湿量 低渗透性 混凝土局部应力的高度集 中 水泥浆与骨料之间不同的热膨胀引起的应力 混凝土与钢筋不同的热膨胀引 起的应力和火灾高温时混凝土的劣化因素等 k o r d i n a m e y e r o 骶1 1 s 1 9 8 1 和d o u g i l l 1 9 8 3 总结了火灾后混凝土的剥落 情况 他们将剥落分为如下三种 1 局部剥落 这是由于在火灾高温时的物理化学变化引起的 譬如表面剥 落 骨料脱落和角部剥落 2 表面层状剥落 一小部分表面材料以层状形式从构件剥离出来 这个过 程在火灾时是一个缓慢的连续过程 3 爆裂 火灾高温下 含湿量是引起混凝土爆裂的主要因素 关于爆裂发 生的机理 众说纷纭 目前尚无定论 一些研究表明混凝土爆裂受内部开裂的影 响 文献表明 在火灾高温下水泥水化产物迅速分解 释放水分 使孔隙内蒸汽 压增大 在水泥石内及水泥石 骨料界面处引起严重开裂 另有研究认为 快速加 热导致构件表层与内层间产生热应力 进而引起混凝土开裂 火灾过程中前两种剥落对混凝土结构构件的影响相对要小一些 而第三种爆 裂的影响是极其严重的 它可能导致构件在火灾前期便出现整体性破坏情况 研 究结果表明 许多轻骨料可引起爆裂 各种热应力也可引起爆裂 一般认为 只 要混凝土中含湿量不是特别地高 爆裂是不会发生的 当应力和含湿量在某个极 限范围内 爆裂一般出现在柱 主梁和次梁中 爆裂在受火3 0 m i n 后产生一系列 的急剧开裂 每次开裂都将局部浅层混凝土移去 表层剥落是一种逐渐分离的过 程 它主要出现在柱子和边梁上 火灾中混凝土产生剥落使表层混凝土减少 这样就使混凝土深层的温度有所 提高 同时加快了热量在深层混凝土的交换 因而使钢筋的温度有了很大的提高 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 j 自自 目自 e 2 自 1 2 1 自e 昌 目 s 自目 e j e 自自自e j e 自 自目e i 目目 j i 混凝土的剥落大多发生在火灾过程中 但也有很多是发生在火焰熄灭后的冷 却阶段 对于这种情况 混凝土和钢筋的温度升高早已完成 而已剥落的混凝土 仍然能残留在原来的位置上较长的时间 2 1 2 2 开裂 火灾时 钢筋的自由膨胀要比混凝土的大 这样 对于配筋较多的钢筋混凝 土结构构件经常会由于热应力而产生开裂 火灾经验表明 热应力产生的裂缝主 要集中在由于收缩和弯曲荷载引起的初始裂缝处 此外因为骨料和水泥浆体之间 的受热非协调性 通常也产生开裂 主要分布在构件表面上 对于火灾后的任何 钢筋混凝土结构构件截面 均产生不同程度的开裂 开裂原因主要有 1 水泥砂浆与骨料之间的膨胀不同所引起的应力 这种裂缝在1 0 0 时就 已经出现 但随着温度升高膨胀系数相差也逐渐增大 以致这些裂缝随着温度升 高而发展 而在截面深处则很少有这种裂缝 混凝土的强度与这些裂缝直接相关 2 钢筋与混凝土之间的膨胀不同所引起的应力 这种应力对于普通密度混 凝土约在4 0 0 左右产生 而轻骨料混凝土的温度要低一些 这些裂缝 般出现在 钢筋附近