大连理工大学硕士学位论文摘要一般混凝土结构都在常温( C 6 0 )在T 2 1 0 0 。C 3 0 0 “ C 时，相对强度已降至露，允一o 8 ；T 4 0 0 “ C 5 0 0 “ C 后可能出现突 然爆裂破碎，应予特别注意。骨料种类不同骨料种类的混凝土的高温强度有较大差别。在相同温度下， 硅质骨料( 如花岗岩) 混凝土的高温强度( 咒L 。) 偏低，钙质骨料( 如石灰石) 混凝土的高温强度稍高，表3 3 的数值显示，当T 7 0 0 。C 后两者相差约6 。而轻骨 料混凝土的高温强度更高。其他因素水灰比大或含水量大的混凝土，高温强度( 名L ) 偏低；升温速度慢且高温下暴露时间长时，混凝土强度偏低；降温和升一降温循环使混凝土强度持续下降；先期压应力的作用能提高混凝土的高温强度。将采用同一套试验设备和相同试验条件的试验结果汇总，可清楚地显露混凝土抗压强度随温度的变化规律和离散度。现采用一有理分式作为其数学模型：大连理工大学硕士学位论文篮。!( 3 一1 )允m 志r对混凝土高温强度进行回归分析、简化取整后得式中参数：a = 1 6 b = 6 3( 3 2 )也可以采用有些文献建议的下面的经验公式：篮。!( 3 3 )，“1 + 口( F 一2 0 ) 。其中，参数a 、b 可按表3 4 取值：表3 4参数a 、b 的取值文献号 1 0 1 3 1 6 t T J 1 8 a2 4 X1 0 1 73 3 X1 0 1 61 1 8 3 1 0 01 7 1 0 “8 2 4 1 0 1 5b65 57 165按此公式计算，混凝土的高温强度在T 8 0 09 C ，两者接近。混凝土的棱柱体抗压强度，在此两种情况下的对比有同样的规律，但强度相对值( f ? 九) 更低些。试验结果表明，混凝土在升温和高温持续作用下，材料内部受到损伤；在冷却降温过程中，结构外部首先降温，内部仍保持高温，形成个梯度相反的不均匀温度场，使混凝土内部发生新的损伤，故降温后比降温前( 即高温时) 的强度有所下降。国内外的同类试验研究有相同的结论，但给出的混凝土降温后残余强度值各有不同，最低者比高温时强度的相对差值 3 0 0 “ 0 后，强度近于直线下降；至 T = 9 0 0 “ C 时，试件已呈破坏，几乎无法加载。大连理工大学硕士学位论文表3 5混凝土的高温抗拉相对强度T cl j | t1 0 0o 7 8 0 9 03 0 0O 。6 6 O 8 85 0 0O 5 2 O 6 07 0 0O 2 4 O 3 29 0 0混凝土试件的劈裂破坏形态，在温度T 3 0 0 时，劈裂缝将试件沿中线分作两半，裂缝界面清晰，近似平面，面上混凝土很少损伤，其余表面无裂缝，与常温试件的相同。试验温度T 5 0 0 后，破坏试件在垫条位置有局部凹陷，裂缝界面有混凝土碎渣，表面上还有平行于裂面的较宽裂缝和不规则的受热裂缝。混凝土的高温抗压和抗拉强度的恶化规律不同，尤其是在T = 1 0 0 7 0 0 区段，相对抗拉强度显著低于相对抗压强度，即L ，8 0 0 “ C 后，各项性能都接近衰竭，难以再加利用。由于混凝土中大量采用了地方性材料，因而性质差异大，影响因素多；更由于高温性能缺少统一的试验标准，所以已有试验结果的差异性很大。3 2 混凝土的高温变形3 2 I 一次升温变形混凝土试件在自由状态( 应力0 = O ) 下的升温和降温过程中，其长度将相应地伸长或缩短，体积将膨胀或缩小。特别是在高温( T 4 0 0 ( ：) 情况下，混凝土的温度变形值很大，远超过其常温时受压的峰值应变( 约2 X1 矿) 。这一热工性能对予混凝土材料和结构的高温力学性能都有巨大影响。混凝土自由膨胀的一般规律：T 6 0 0 7 0 0 “ C 时，温度膨胀变形减慢，甚至停滞，可能是骨料中矿物成分的结晶发生变化，和内部损伤的积累妨碍继续膨胀变形。此时，t h i l O 1 0 3 。已有试验表明【3 一3 。7 l ，影响混凝土升温膨胀变形的主要因素有：骨料的种类和矿物成分、试件的配合比和含水量、升温速度等。此外，也包含着试验方法和测量技术的差异，致使混凝土温度变形的试验值有很大的离散幅度。根据已有的试验资料，混凝土自由膨胀变形( et h ) 的平均值与温度( T C ) 的关系符合下述简化回归式：个 宅8 ( 志) 2x 1 0 4 1 2 X1 0 4( 3 峭)与国外已有的试验资料较为吻合。2 4奎垄翌三奎堂堡主堂垡堡苎3 2 2 升降温循环的变形建筑火灾从发生到熄灭的过程中，至少经历一次升温和降温循环。若出现扑救和复燃的多次反复，就有多次不规则的升降温循环。相应地，结构混凝土的表面和内部也必有多次温度升降变化，对材料和结构的变形、内( 应) 力、承载力及损伤状况等产生不同程度的影响。对混凝土在自由状态( 应力o = 0 ) 下加热并达到不同的预定温度值后，自然冷却至室温，量测得混凝士的温度( 膨胀) 变形如图3 2 。各试件在降温过程中长度缩短，即温度变形有恢复，且各条降温变形曲线近似平行，降温应变率都接近( ( 8 1 2 ) X 1 0 - 6 C ) 。试件冷却至室温后，膨胀变形没有全部恢复，尚有残余交形。当最高温度T 5 0 0 “ C 后，残余变形激增；至T = 7 0 0 “ C 时，试件的残余应变达到5 2 1 0 3 ，约占最高温度时膨胀变形的4 0 9 6 。混凝土在升温过程中发生的膨胀变形( et h ) 主要由4 部分组成：固体成分的升温膨胀、失水收缩、水泥浆体和骨料界面裂缝的出现和扩展、骨料的内部损伤等。在降温过程中，除了固体成分的膨胀变形可能全部恢复外，其余3 部分变形基本上都不能恢复。故自由升降温循环中，各降温变形曲线平行，降湿后的残余( 伸长) 变形随曾到达温度的提高而剧增。1 2n9 b J63OT m t = 7 0 0 、 仝5 0 0t3 0 0一一1 3 0弋7l一_ 、 1 0 0 3 0 0 5 0 0 7 0 05 0 03 0 0 1 0 00T 图3 2一次升降温过程的自由温度变形对混凝土在相等的最高温度下进行多次升降温循环试验后表明，试件在最高温度时的总膨胀变形和完全降温后的残余变形都随循环次数的增加而有所增大，但渐趋收敛；总变形和残余变形的绝大部分在第一次升降温循环中就已出现。在不同最高温度下多次升降温循环中测量的混凝土变形过程如图3 3 。一茎三兰塑垫塑壹塑垄堂堡壁一- ，- - _ _ _ _ _ 一在多次升降温循环中，若逐次提高最高温度( 3 0 0 5 0 0 7 0 0 ) ，混凝土试件的最大膨胀变形和残余变形都逐次累积且不断增大。反之，若各次循环的最高温度逐次降低( 7 0 0 5 0 0 3 0 0 ) ，则试件的最大膨胀变形出现在第一次最高温度时，此后各次最高温度时的变形渐次减小；试件的残余变形也在第一次降温后出现，此后的数次升温变形，在降温后几乎可全部恢复，残余变形值基本保持常值。由此可以看出，混凝土在自由状态( 应力o = O ) 下高温交形的一个重要特点：多次升降温循环中，不论每次循环的最高温度多高，顺序如何，每次循环的升温变形曲线和降温变形曲线，都与一次升降温循环的相应曲线( 图3 2 ) 一致。而降温后的残余变形，主要取决于多次温度循环中所曾达到的最高温度，而与升降温循环的次数、顺序无关。1 29 呻 2 浮6307 0 0 lII：I：lI ：I ：JIII：I f：5 四 I：l I：、l Ij I 、IlI 声IlIj1 一一一一一1 一一一一L 一卫一上一一L 一一 一一尘k L J驴，I j ；：f ： ：N - - f 一一Z 一一L _ 玉一j 一一砭j 一一i 一一L _ 一：一一上一一L j ：4：l：I I： 矿：4 I：划：f 2 0 02 0 001 0 03 0 0 5 0 0 3 0 01 0 0 i 0 03 0 0 5 0 0 7 0 05 0 03 0 01 0 0 T ，T “= 7 0 0 ：_ ! 刀fN 一蔚一i 一一一盯一r一1l 尸1l1、ll1il 再1；11l1j：f 方j q - ifi - f j - 燃i叫一一澎* ：猎眷2 0 04 0 06 0 06 0 04 0 02 0 002 0 04 0 04 0 0 2 0 002 0 02 0 00T C o ) 图3 3多次升降温循环下混凝土的自由温度变形 ( a ) T m 娃：3 0 0 5 0 0 7 0 0 ：( b ) T m 缸：7 0 0 5 0 0 3 0 0 查堡堡王奎兰堡主兰垡堡塞一一3 2 3 小结混凝土的高温变形，包括自由升温变形、高温时应力作用产生的变形和短期高温徐变等，都随温度的升高而加速增长。当温度T 4 0 0 5 0 0 后，混凝土的高温变形值很大，超过常温时对应值的数倍，甚至数十倍，也远大于常温受压的峰值应变( 约2 1 0 3 ) 。在高温作用下，在混凝土的水泥砂浆内部和骨料界面遍布裂缝，并逐渐扩展，以及骨料自身损伤是高温变形大的主要原因。混凝土的这些损伤在降温和卸载的过程中一般都不能复原，又使降温和卸载后的残余变形大。混凝土经过升降温和加卸载的多次循环后，最大变形和残余变形值的大部分在第一次循环中就已出现，以后各循环中产生的变形增量锐减。若后续循环的温度和应力值超过此前各循环者，最大应变和残余应变将显著增大；反之，若后续循环的温度和应力值低于此前各循环者，则此次的最大应变不超过曾达到的最高值。残余应变基本持平。故非等值的升降温和加卸载多次循环中，混凝土的最大变形和残余变形都取决于曾经经历的最高温度和最大应力值。3 3 钢筋的高温力学性能3 3 1 钢筋的高温特征和极限抗拉强度钢筋高温抗拉强度的基本试验采用恒温加载途径。将钢筋试件放入试验炉中，加热至预定温度并恒温数分钟后，加载至试件破坏，同时测定其变形过程和强度值。钢筋表面的颜色在升温过程中逐渐有所变化：当温度T 。 4 0 0 “ C 后，颜色加深，至6 0 0 “ C 时微显红色；T 7 0 0 8 0 0 后呈黑红色。试验结束后，将试件从炉中取出，冷却后观察其破坏形态。当试验温度T 3 0 0时，试件断裂成两截，断口有明显的局部颈缩，与常温试件的相同；当T = 4 0 0 。C6 0 0 C 时，破坏试件的表层掉皮，颈缩仍可辨认。随着试验温度的提高，颈缩区的长度增大，直径减小：当温度T = 7 8 0 0 ，试件上已不见局部颈缩，中部高温区段有明显的普遍的拉长，直径显著减小，表层掉皮严重。试件两端的低温区段，其长度和直径与试验前无甚变化。钢筋在不同温度时的极限抗拉强度( r ) 取为试件的最大拉力和初始截面积的比值，或应力一应变曲线展高点的应力值。用5 种强度等级的钢筋( I 、I I 、I 、第三章材料的高温力学性能V ) 所做的高温极限抗拉试验结果显示：在温度T 。 o g ) ；在T 3 0 0 “ C 8 0 0 “ C 间，高温强度急剧下降；至8 0 0 “ C 时极限抗拉强度已很小( 只，丸0 0 4 0 1 2 ) 。不同种类和强度等级的钢筋，高温极限强度的变化还有些差别。I 级钢筋的高温极限强度在T = 3 0