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淺淡鋼筋混凝土構(gòu)件與火災(zāi)

  
評論: 更新日期:2008年10月29日
隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展,城市建設(shè)也進(jìn)入了大發(fā)展階段,由于建筑要求和施工技術(shù)的提高,城市用地緊張和地價昂貴,以及對建筑物使用功能多樣性,高標(biāo)準(zhǔn)的要求,結(jié)合現(xiàn)代化城市規(guī)劃的制定與實施,高層建筑已在國內(nèi)外大中城市以空前的規(guī)模和速度發(fā)展著。而鋼筋混凝土構(gòu)件在高層建筑中廠泛運(yùn)用,目前世界上最高的鋼筋混凝土高層建筑是美國芝茄哥的德賴夫大樓,65層總高296m。我國目前已建成的最高的鋼筋混凝土高層建筑是廣州國際貿(mào)易中心大樓,地上60層,地下3層,總高度達(dá)200m。雖然這些鋼筋混凝土高層建筑給我們?nèi)祟悇?chuàng)造了美好的生活環(huán)境和空間,給城市增添了美麗的景觀,但是也給人類帶來了許多不便和災(zāi)害,湖南衡陽發(fā)生的“11.3”火災(zāi)事件與近幾年國內(nèi)外許多高層建筑重特大火災(zāi)事故的發(fā)生,許多無辜的生命葬身火海,給許多家庭留下深刻的悲痛, 國家和人民生命財產(chǎn)的損失觸目驚心。筆者就如今建筑史上普遍運(yùn)用鋼筋混凝土構(gòu)件與一些火災(zāi)案例分析,就火災(zāi)對鋼筋混凝土構(gòu)件的危害和采取措施談點初淺的認(rèn)識,供參考。
一、火災(zāi)中火對鋼筋混凝土的影響
火對鋼筋混凝土的影響和損傷可以分為兩種類型,一種是單個構(gòu)件受到火的直接灼燒,產(chǎn)生損傷;如構(gòu)件表面混凝土爆裂脫落和燒傷層產(chǎn)生細(xì)微裂逢;另一種是梁柱組成的整體結(jié)構(gòu)由于升溫不同,產(chǎn)生很大的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力而引起構(gòu)件的損傷,例如:許多鋼筋混凝土構(gòu)件受到火災(zāi)后,表面粉刷層基本剝落,梁和柱混凝土表面產(chǎn)生大面積龜裂,局部混凝土爆落和主筋外露,混凝土表面呈現(xiàn)紅色、灰色、黃色均有,預(yù)應(yīng)力圓孔板的混凝土保護(hù)層剝落露筋,鋼筋失去性能等現(xiàn)象發(fā)生,這些現(xiàn)象都明顯地表明了火災(zāi)現(xiàn)場溫度,是火災(zāi)原因調(diào)查分析的依據(jù)。
二、火災(zāi)中溫度對鋼材的影響
鋼材的物理性質(zhì):鋼材在正溫范圍內(nèi),溫度約在200℃以上時,隨著溫度的升高,鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服點和彈性模量都有變化,總的趨勢是強(qiáng)度降低、塑性增大;溫度在250℃左右,鋼材的抗拉強(qiáng)度略有提高,而塑性卻降低,因而鋼材呈現(xiàn)脆性,在此區(qū)域?qū)︿摬脑偌訜幔摬目赡墚a(chǎn)生裂逢。此外,當(dāng)溫度達(dá)到250-350℃范圍內(nèi)時。鋼材將產(chǎn)生徐變現(xiàn)象,鋼材的性能受到不同程度的損傷。據(jù)一些專家對鋼材進(jìn)行溫度試驗分析,當(dāng)鋼材在升溫1h,恒溫加熱1小時后進(jìn)行檢測,結(jié)果是有屈服臺階的16Mn鋼筋在900℃以下時的強(qiáng)度和延伸率變化很小,溫度達(dá)到1000℃時,鋼材強(qiáng)度下降10%;無屈服臺階的冷拔低碳鋼絲經(jīng)過2h升溫至600℃以下,則強(qiáng)度受到影響不大;而溫度在600℃以上時的極限強(qiáng)度下降達(dá)40%。據(jù)有關(guān)專家對大多數(shù)火災(zāi)事故現(xiàn)場中構(gòu)件鋼筋的測試結(jié)果表明,混凝土保護(hù)層爆落的預(yù)應(yīng)力板鋼絲受熱溫度超過600℃,梁柱構(gòu)件鋼筋溫度低于600℃,因而,在一般情況下,火災(zāi)對鋼筋的影響較比混凝土小,對于I、II級鋼筋在溫度達(dá)到900℃以上時才有明顯的影響,由于鋼筋構(gòu)件混凝土保護(hù)層的作用,通常構(gòu)件中的鋼筋溫度低于此值,可以說火災(zāi)一般對I、II級鋼筋的影響不很大。但是,在600℃以上的高溫卻使冷卻后的冷拔低碳鋼絲強(qiáng)度大幅下降40%左右,從中可以說明火災(zāi)對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板的影響較大,由于建筑荷載大部分承重在板上,從而破壞結(jié)構(gòu)的整體性,造成更大的危害。
三、火場溫度對鋼筋混凝土構(gòu)件板的影響
溫度對鋼筋混凝土構(gòu)件板的影響,按板的損壞或大致的溫度范圍可以分為三種情況。
一種是混凝土表面顏色變化不大,粉刷層完好或基本完好(粉刷層熏黑)或者粉刷層部分脫落,混凝土表面熏黑,此時混凝土表面溫度大致在300℃以下。
二種鋼筋混凝土粉刷層基本剝落,混凝土表面顏色為淺紅或紅灰,無橫向裂逢或縱向裂逢,此時混凝土表面溫度大致在300-500℃范圍。
三種是鋼筋混凝土粉刷層全部剝落,混凝土表面顏色灰黃或淺黃,有縱橫裂縫,自重下板的撓度明顯大于L/400(L為板的凈跨長度),或者混凝土保護(hù)層爆落露筋,混凝土表面溫度在500-600℃以上。為了進(jìn)一步確定板的剛度和強(qiáng)度,根據(jù)有關(guān)資料對一些火災(zāi)后板的試驗分析表明:不大的溫差對板的剛度有非常明顯的影響,板的剛度(即混凝土彈性模量)隨著溫度的升高而急劇下降,比強(qiáng)度的下降大得多。這一特性是因為板的厚度通常較小,升溫較快(火災(zāi)升溫速度大約在150℃/h),加上板的截面慣性矩小,往往使得標(biāo)準(zhǔn)荷載下的變形超出允許值而受到更大的破壞。
四、火災(zāi)中火對梁的影響
火災(zāi)中火對梁的破壞影響可以分為兩種:一種是直接灼燒危害,另一種是梁結(jié)構(gòu)性能受到破壞。
一是火對梁的直接灼燒。一般梁的截面積較大,火的直接灼燒使得鋼筋混凝土梁在表面一定厚度內(nèi)達(dá)到較高溫度,梁的強(qiáng)度受到一定損失,而梁截面內(nèi)部升溫慢,溫度低,在降溫過程中,溫度高的混凝土的收縮量大,導(dǎo)致梁表面大面積龜裂(梁的龜裂比板嚴(yán)重得多),其灼燒深度即灼燒厚度與火場溫度的大小有關(guān)。例如:對一起火災(zāi)事故后火場主梁的分析:主梁截面積為0.3×0.85m,高跨比為l/60(板的高跨比為l/33.3),可以看出梁混凝土彈性模量的下降,溫度對梁的變形的影響比板小,原建筑設(shè)計主梁的反拱范圍為0-3.0cm,實測梁跨中仍處于反供狀態(tài),大部有1.0-2.0cm的反拱,說明此起火災(zāi)對梁的變形影響不突出。因此,火灼燒對主梁的主要影響是燒傷層強(qiáng)度和耐火性的變化;二是梁結(jié)構(gòu)性的破壞,在火災(zāi)發(fā)生時,由于板和梁升溫不同,產(chǎn)生溫度應(yīng)力,梁受到拉力造成現(xiàn)澆梁的上部出現(xiàn)分布垂直裂逢。如有一起火災(zāi)中屋面梁的最大裂逢寬度達(dá)到30-50mm,又由于混凝土構(gòu)件的連接處被拉裂破壞了承重體系的整體性,降低了整體結(jié)構(gòu)的安全性,也不同程度地影響了梁端局部承壓能力和端部鋼筋錨固,導(dǎo)致梁承壓破壞。
五、火災(zāi)中火對鋼筋混凝土柱子的影響
火對柱的影響與梁的影響相似,大致有兩種情況,直接灼燒和結(jié)構(gòu)性破壞。
一是火對柱的直接灼燒,情況與梁相似,柱子表面有大量龜裂逢,柱子的受力為軸向受壓和小偏心受壓,由于柱子混凝土彈性模量受火后下降,將使柱子內(nèi)縱向鋼筋壓力有一定的增加,可以說在火災(zāi)中火對柱子的整體受壓能力影響不很大,但是火對柱子表面燒傷導(dǎo)致柱子保護(hù)層脫落,降低了柱子的有效截面積。
二是火對柱子結(jié)構(gòu)性的破壞,由于火場中溫度對鋼筋混凝土構(gòu)件產(chǎn)生溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力作用使梁受拉,使得部分柱子被拉裂,柱子局部承壓力降低,又由于梁拉裂后繼續(xù)產(chǎn)生膨脹位移,使得柱子產(chǎn)生偏移,降低了柱子的承截能力。
六、火災(zāi)中各種因素對鋼筋混凝土構(gòu)件有不同程度的影響采取的措施
增強(qiáng)火災(zāi)中各種因素對鋼筋混凝土構(gòu)件有不同程度的影響主要采取的措施是提高鋼筋混凝土構(gòu)件的耐火極限,方法有以下幾方面:一是增加鋼筋混凝土構(gòu)件的切面尺寸(如:30×30cm的鋼筋混泥土柱,耐火極限3.00h;37×37cm的鋼筋混泥土柱,耐火極限5.00h;);二是增加鋼筋混泥土構(gòu)件的鋼筋保護(hù)層厚度(如:簡支鋼筋混泥土梁,非預(yù)應(yīng)力鋼筋,當(dāng)保護(hù)層厚度分別為2.0、2.5、3.0cm時,耐火極限分別為1.75、2.00、2.30h;簡支鋼筋混泥土圓孔空心板,非預(yù)應(yīng)力鋼筋,當(dāng)保護(hù)層厚度分別為1.0、2、3.0cm時,耐火極限分別為0.9、1.25、1.5h;),可采取增加抹灰層厚度;三是預(yù)應(yīng)力鋼筋混泥土圓孔樓板下面噴涂防火涂料,預(yù)應(yīng)力鋼筋混泥土圓孔樓板的耐火極限較差,當(dāng)保護(hù)層厚度1cm時,耐火極限0.4h;保護(hù)層厚度3cm時,耐火極限0.85h ,若在該預(yù)應(yīng)力鋼筋混泥土圓孔樓板下噴涂0.5cm厚的106防火涂料,可提高耐火極限到1.8h。
總之,綜上所述,望廣大建筑設(shè)計工作者和施工技術(shù)人員在高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中,對鋼筋混凝土構(gòu)件提高安全設(shè)計可靠度和采取一些施工技術(shù)上的保護(hù)措施,增強(qiáng)建筑物的安全性,在火災(zāi)事故 發(fā)生時,減少國家和人民的生命財產(chǎn)的損失。
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