濟南大學畢業設計濟南大學畢業設計外文資料翻譯2-11-畢業設計外文資料翻譯題目暴露在極端高溫下的結構——性能概述學院土木建筑學院專業土木工程班級學生學號指導教師二〇一四年二月二十三日OpenJournalofCivilEngineering,2013,3,154-160.PublishedOnlineSeptember2013暴露在極端高溫下的結構性能概述謝里夫·葉海亞，加尼姆·卡斯華妮美國沙迦大學土木工程系，沙迦，阿聯酋收稿日期：2013年4月21日；修訂日期：2013年5月21日;錄用日期：2013年5月28版權所有?2013謝里夫·葉海亞，加尼姆·卡斯華妮。這是知識共享署名許可，允許無限制地使用，分發，并在任何媒介的復制下發布的開放性文章，提供的原作是正確的引用。摘要：強度，耐久性和穩定性是材料選擇和建筑行業在設計時的主要標準。因此，發展和增強建材對工程師和研究人員來說始終是一個積極而有吸引力的領域。高溫（火災）對任何結構的建筑物都是可造成重大損害的潛在威脅。對于暴露在高溫或火災下建筑材料的反應，需要進行全面研究和分析，從而吸取以前案例的經驗教訓。本文就是對常見的建筑材料，如在高溫條件下的混凝土，鋼和復合材料結構特性的介紹和討論。此處，著重討論的是高級材料，如纖維增強復合材料（FRP）和鋼管混凝土（CFT），暴露在高溫下的性能。并從不同的設計規范建議，以提高結構的抗火進行了介紹。最后，是文獻中發現的數座橋梁和暴露于火災事件的建筑物損害的評估總結。關鍵詞：建材，耐火性，火災對建筑物的影響，結構性能1．引言：結構的可持續發展是建筑行業主要關注的問題。暴露于火或高溫是一個極端的條件，導致材料性質改變，因此，必須改變整體行為的預期。許多研究工作都致力于暴露在火和高溫條件下材料的績效評估。這些努力可加強對材料性質變化的認識，并建議指引，以避免此類事件發生。因此，本文的目的是探討不同建筑材料暴露在高溫下的行為差異。而且，設計建議和規范要求強調認識到這些差異。通常調查暴露于高溫（火災）事件下的結構，以評估它們的結構完整性和性能。利用幾個主動和被動防火方法可以盡量減少或控制火災對結構及其部件的影響，但是，材料性能的變化和結構剛度的損失的后續行動要求對結構的性能進行全面評估建議。三大類：本文中將要討論的是材料特性，結構評估，并提出建議以增加結構抗火，盡量減少高溫度的事件對結構的影響。2．材料性能材料特性如熱膨脹，密度和導熱性都需要仔細評估，以了解材料的性能在極端高溫事件的變化。此外，材料成分的性質，如在高溫影響下混凝土骨料活動的整體行為等。在建筑行業常用的材料都將在下面的小節中討論。2.1混凝土在高溫事件中由于各成分的熱膨脹系數的差異使混凝土具有復雜的行為。配料混凝土混合物，以實現高強度及生產的致密混凝土混合物用更少的水泥質材料的比例（重量/厘米）在現場作業過程中保持耐久性的要求。因此，HSC的機械性能在升高溫度下的情況下與常規混凝土有兩個主要的不同方面：首先，強度損失在100℃至400℃溫度范圍內時會導致HSC發生爆裂。強度損失應該由在設計階段引入的代碼和設計規范加以考慮。此外，火災中混凝土保護層的HSC爆裂導致鋼筋直接加熱使其面臨整體結構能力[1,2]喪失的風險。因此，高強度混凝土（HSC）和普通強度混凝土（NSC）的防火性能存在顯著的差異。影響混凝土的耐火性能的幾個因素是混凝土強度，含水率，混凝土密實度和聚合型[3,4]混凝土強度：抗壓強度大于55兆帕（8000psi）的混凝土比抗壓強度較小的更容易剝落。由于在基體中的水的壓力或不同的熱膨脹在基質中的堆積情況的作用，混凝土的剝落通常發生在火災的初始階段，。HSC具有非常低的滲透性和水灰比，因此，水分以緩慢速率逸出，孔隙壓力增加。這將導致承載能力大幅降低和混凝土截面在火災期間預期的損失。因此，HSC比NSC剝落的幾率更高[3,4]。水分：混凝土的耐火性能受游離水分或暴露在不同程度的環境濕度（RH）影響。游離水分的存在取決于粗骨料和環境的濕度。如果相對濕度水平超過80％，混凝土構件可能會在火災時發生剝落。游離水分的能力是從有火的一側移動到較冷的一側以降低內部壓力，因此，可減少剝落的發生。在HSC情況下，由于密度高，水分移動受到限制，因此，它更容易剝落[4,5]。混凝土密度：HSC有密實，低水灰比，及其他補充材料，如硅灰的特點。一般情況下，密實混凝土很容易在火災下剝落。在火中，高溫對混凝土芯的傳輸速率高，導致混凝土表層（剝落）的快速損耗[3,4]。骨料類型：任何混凝土拌合物的60％至70％都是骨料，因此，混凝土變化主要受混合物中使用的粗骨料類型影響。建筑行業通常用碳酸鹽巖，硅質，輕便的三種類型的混合體。表1總結了高溫對基于聚合型抗壓強度和混凝土的彈性模量的影響。此外，比熱和熱導率受聚合類型的影響很大。熱導率影響火災情況下溫度的上升速度。輕骨料相對于其他類型具有較低的熱導率（0.577789317英熱單位（IT）英尺/小時/平方尺/°F0°F）。然而，對所有類型的聚合物在650℃下熱導率會減少到50％[6,7]。表1高溫對混凝土性能的影響[6-8]1°C=33.8°F聚合類型抗壓強度抗壓強度碳酸鹽（石灰石，白云石）保持強度可達1200°F減少高達50％，在800°F硅質（花崗巖和砂巖）減少高達50％，在1200°F減少高達50％，在800°F輕量級（天然或人造）保持強度可達1200°F減少高達40％，在800°F鋼纖維混凝土鋼纖維通常被加入到混凝土混合物中以改善塑料開裂的特性，拉伸強度，彎曲強度，沖擊強度和控制開裂。然而，在高溫下鋼纖維可以降低混凝土結構的耐火性。聚丙烯纖維或鋼纖維混合可用于減少在升高溫度時對鋼纖維的不利影響[9,10]。2.2鋼當暴露在482℃的溫度下，鋼的屈服強度和彈性模量減少了大約12％至14％，超過這個溫度這兩個屬性會急劇下降。此外，在高溫下屈服強度和彈性模量的降低也受鋼構件的碳百分比和應力水平的影響[11]。其它重要性能，由于鋼溫度的增加熱膨脹系數也大大增加了；如公式（1）[12]：α=（6.1+0.0019T）*10（1）其中，α是熱膨脹系數（單位：°F），ΔT是鋼溫度上升超過100°F。2.2.1鋼筋鋼筋如果由法規中指定的最小保護層保護，預計高溫對鋼筋的影響可以忽略不計。然而，由于混凝土和鋼筋之間的粘合的熱膨脹和變形的損失，可能導致結構失穩和影響結構的完整性[13-15]。2.2.2高強度鋼屈服強度降低與應變水平是相關的，因此，高強度鋼板的屈服強度比低強度鋼降低的更小。此外，彈性模量的減少與高強度鋼中的碳含量是息息相關的[10,16]。2.2.3冷成型鋼當冷成型鋼結構暴露在高溫下，鋼的等級是控制屈服強度的主要參數，而鋼板厚度對強度損失的影響很小。此外，還有的是彈性模量和鋼等級或厚度之間沒有明顯的關系，但是，升高的彈性模量可以通過方程（2）和（3）判斷[17-19]：20<T<200C,ET/E20=—0.000835T+1.0167(2)20<T<800C,ET/E20=—0.000135T+1.1201(3)其中ET和E20分別是升高的溫度和溫度環境的彈性模量。2.3復合材料為了克服一些耐久性和鋼筋銹蝕問題，建筑行業進步后所生產的幾種新材料和采用的新施工工藝，在許多項目中被使用。纖維增強聚合物（FRP）是一種表現出良好性能，并提供了所需機械屬性的復合材料的一個例子。然而，需要對復合材料的耐火性和暴露于高溫下的性能進行評估。鋼纖維復合材料（FRP）FRP是高耐腐蝕性隔斷環境條件下的最佳選擇之一。然而，在火災的早期階段，玻璃鋼材料會失去他們的強度和剛度。Wang等人[20]進行了一個碳纖維增強聚酯（CFRP）和玻璃纖維增強聚酯（GFRP）相對于傳統鋼筋強度和剛度變化的實驗性調查研究。他們的研究結果表明，FRP筋的臨界溫度約為343℃，低于這個溫度的FRP筋能保持90％左右的原始悶氣。然而，碳纖維復合材料和玻璃鋼原強度35％至45％的削減都發生在343°C。另外，在應力——應變關系上，船舶的FRP筋在高溫下幾乎保持直線直至被破壞[20,21]。2.4復合材料結構2.4.1鋼管混凝土（CFT）CFT混凝土芯由鋼管約束。鋼管所提供的約束增強了混凝土性能，也提高了結構元件的整體性能。此外，較高的抗彎承載能力，高抗震性和施工快是一些建設項目使用CFT的其他優點。然而，然而，當接觸到火時需要對CFT的性能進行評估。尺寸和長細管，低截面系數（A/V比），火的方向，暴露在火中的邊數是一些影響鋼管混凝土截面[22,23]耐火性能的主要因素。數值模型和實驗研究表明，鋼管混凝土柱由于其復合行為有比高溫下的定期專欄（鋼或混凝土）更好的性能。這些性能可以通過鋼管和混凝土芯的雙重作用進行說明。當鋼管混凝土柱暴露于火，負荷轉移將發生在兩個階段。在第一階段，鋼管將通過其任何橫截面額外的壓力進行擴大。然而，當溫度升高時，斷面開始屈服，并由于鋼管的局部壓曲在整個柱的抗壓強度降低。這導致了第二階段，因為混凝土的導熱系數降低的速度較慢，載荷從鋼管上轉移到混凝土芯的強度繼續降低，直到柱或者通過彎曲或壓縮失敗坍塌[26]。2.4.2復合混凝土和結構鋼復合混凝土和結構鋼型材通常由三個主要部分組成;鋼筋混凝土（RC），鋼鐵和螺柱（剪切連接器）[27?29]。復合部分的耐火性是影響所有成分的行為：混凝土部分：正如前面所討論剝落和曝光鋼筋是混凝土在火災中的主要威脅。恢復壓力和水分運動，尤其是要關注鋼板如果是用在鋼筋混凝土板的底部上的情況。此外，緊張的支撐梁的混凝土板和變形發展會導致開裂和柱附近的潛在滑移。結構鋼和連接：鋼型材可作為翼部（表），梁和柱。梁下翼緣，在剪切梁腹板局部屈曲，地層塑性鉸，柱翼緣受壓屈曲，端板沿焊縫“連接”，在梁腹板孔的伸長率和過度變形斷裂是一些火在鋼截面可能造成的損害。這些損害依賴的部分中，存在限制元件，和暴露火中的時間，位置和方向[27，28,30]。剪力釘：RC和鋼結構之間的綜合作用通常是通過剪力釘來實現。此外，螺柱有助于縱向剪切（柄）和拉伸載荷垂直于界面（頭）的阻力。這可以在縱向滑移發揮作用。在螺柱上要求高強度和剛度，以確保這兩個部分之間的負載傳遞。然而，在高溫事件中剛度和柱的容量會影響復合微結構部分的整體性能降低。此外，螺柱的數量和安排以及塑鋼型材的存在會影響鑄坯開裂模式[29,31]。要著重注意測試組成部分提供的信息，這是用于提高代碼和設計的要求。然而，部件和連接之間的相互作用表示結構作為一個整體的行為除非在一個滿量程的測試中進行，否則不能被清楚地識別[29]。3．結構性能及設計要求當前造成火災的任何結構的性能（耐火性）取決于材料性能和絕緣/屏障抵御或限制火災。然而，耐火等級是關于結構的半小時或一小時的增量預期的耐火性的指標[32]。熱膨脹，結構結束條件（重新拉緊或無節制的），以及材料的強度和剛度的損失影響特定結構的整體性能。如果該混凝土具有較低的熱導率從而導致較慢的增加混凝土溫度，它就可以在火災事件中有良好的表現。在升高溫度的過程中，由于蒸氣壓力的增加，混凝土的剝落可能影響混凝土的機械性能。這種壓力導致內部裂紋和應力超出混凝土的拉伸強度[6,32]。赫茲和索倫森發現，如果水分含量保持在低于每單位重量的3％，混凝土也不會斷裂，但是，如果水分含量大于3％時，可避免使用膠結材料如硅灰或纖維混凝土發生剝落/爆裂[33]。鋼結構，強度，延展性，鋼鐵材料的一致性，結構的形狀和所施加的負荷都應該是耐火性計算的重要因素。臨界溫度取決于負載比和鋼組合物。負載率值是所施加的設計負荷，以將產生的應力等于屈服應力在室溫下的比值[12,34]。它需要施加絕緣材料如氧化鎂，蛭石，噴礦物和燒蝕涂層，以保護高溫下的結構鋼。在復合材料結構中，在火災中控制由熱膨脹引起的應力和位移的結構行為直到材料的強度和剛度故障再次降低到之前的程度[35，36]。3.1.代碼和規格代碼為確定建筑物，建筑物組件和不同的建筑材料（混凝土，磚石，鋼材，木材，粘土）的結構元素的耐火性提供可接受的方法。2009年的國際建筑規范（IBC2009）[37]表明，計算時，耐火極限是指規范要求的混凝土和磚石耐火結構的組件（ACI216.1-07/TMS-0216-07）[38]而對于鋼結構是指標準計算方法為防火結構ASCE/SEI/SFPE29-05-第五章[39]。1）ACI216.1-07/TMS-0216-07該代碼提供了四種可供參考的評估建筑材料或組件的方法，通過測試的資格（根據ASTME119[40]），計算出的耐火性（按照ACI216.1），通過過去的經驗（材料/組件其中有可接受的性能歷史記錄），和替代方法（鼓勵用于預測結構的生命安全和財產保護的新技術審批）[38]。當確定混凝土結構的耐火等級時應考慮最小等效厚度（墻壁，地板和屋頂），最小覆蓋結束條件（奔放或內斂），聚合類型，鋼筋類型，非預應力或預應力，結構類型（樓板，屋頂板，梁），層數，使用保溫材料和最小列大小。2）ASCE/SEI/SFPE29-05該標準規定的方法用于計算結構構件的耐火作為替代的ASTME119標準耐火試驗[40]。第五章涉及鋼結構建筑占地柱，梁，大梁和桁架。鋼柱耐火等級是根據重量，加熱周長，以及所使用的防護材料種類確定的。然而，然而，標準規定了房梁程序有不同的尺寸與核準的耐火組件。該過程考慮了保護材料，重量梁或梁加熱的周長的厚度。對于鋼桁架，每一個部件的保護厚度應按照相同的程序，用于列來確定。然而，對于桁架支撐地面或屋頂，應遵循梁/梁程序[39]。3）歐洲法典[41-45]類似于ACI261.1和ASCE的/SEI/SFPE29-05碼的歐洲規范提供的指導和建議，以確定從正規常溫設計的差異。歐洲法規1第一部分（1-2）（適用EN1992-EN1996）是在任何結構設計的過程中應該被考慮的耐火性的一般規則。歐洲法規2部分1-2（EN1992年1月2日）為混凝土結構提供了詳細的計算方法和模型以考慮高溫下的效果。歐洲法規3部1-2（歐洲規范3-1-1，EN1991年2月2日）提供了其與火焰條件，材料屬性在高溫下的變形處理準則，防火設計，連接鋼結構一般結構防火設計規則，截面的分類，并在光束的機械阻力不均勻的溫度分布的影響。當復合鋼和混凝土結構暴露于升高的溫度下時應根據歐洲規范4（EN1994-1-2，EN1991年2月2日）進行設計。3.2分析模型許多分析和實驗研究工作正在開展，以幫助預測建筑材料或組件的耐火性。這些分析調查的主要目的是提供建材/組件暴露在特別高溫下行為的理解，實驗研究需要特殊的測試環境[46-50]。表2一些結構（橋梁和多層建筑）摘要暴露于火活動結構類型消防日期主要原因主要損害紐約的一個廣場，紐約鋼筋混凝土無噴頭系統1970安全系統錯熱激活鋼填料失效梁在33-34層。連接螺栓火災時的剪切布里斯托爾大路高架橋1972——40毫米剝落了很多的拱腹和暴露的低碳鋼的橫向。負載測試顯示無容量圣保羅鋼筋混凝土框架與肋板地板，CESP的中央纖芯建筑（無噴頭系統）1972——局部坍塌圣保羅Joelma建設，鋼筋混凝土1974易燃材料被用于提供室內外墻混凝土墻壁剝落這種情況下，部分倒塌拉斯維加斯米高梅大酒店，鋼筋混凝土用噴頭系統1980里面墻上拱腹電氣接地的故障賭場和餐廳地板遭受幾個小時的燃燒，然而沒有大崩潰高速公路天橋1982卡車事故下垂的鋼橋面梁至少150毫米，甲板混凝土剝落基爾服務站橋1984——有橋無主結構損傷達特福德小河溝橋1984因用于去除EPS拱腹形式的熱線切割設備發生火災預應力混凝土橋梁剝落，但是預應力梁的容量為不受火災礫山立交橋1990由于33,000窩汽油撞向道路子損害的主要46米跨度和鄰跨在兩個層面和兩列。建議徹底更換橋，而不是改造埃及亞歷山大紡織工廠，未提供灑水器系統2000房間一樓短缺全面崩潰德國維爾高架橋，該大橋鋼橋面的變形沒有倒塌的長度60米2004汽車燃料的卡車事故有限賠償和脆弱性因相對低的溫度達到鋼甲板。須臨時修理希臘里約熱內盧橋梁，世界上最長的多跨斜拉橋（2880米）2005相鄰電纜損壞和粉碎在甲板上直接作用在橋上的適用性沒有大的損害被發現奧克蘭加利福尼亞州麥克阿瑟迷宮橋，鋼板梁失敗，連接失敗2007燃料卡車事故局部坍塌重建主要應用于與預算達到9000萬美元德國雷根斯堡運河鎖鋼-混凝土組合結構橋梁2008燃氣管道運行下的橋洞全面崩潰洛杉磯濠景閣大道橋，鋼筋混凝土2011燃料卡車事故局部坍塌。由于需要對被拆除的在鋼筋混凝土重大損害結構及維修成本高4．教訓從以前的事件中吸取表2總結了一些在文獻中找到的意外火災情況下的橋梁和多層建筑。每個火災的情況是不同的（引起火災的曝光時間的高溫），然而，幸存下來的幾種情況，是因為在設計階段提供了覆蓋范圍。5．結論本文是專門進行高溫事件下的常用建筑材料的行為的調查研究工作的概述。幾個實驗研究，數值模型和設計要求被列入調查。此外，對復合結構的特性進行了討論。火災后的溫度水平，暴露時間，保護和用于控制火災的方法對結構的性能影響很大。結構構件的耐火極限應在設計階段加以考慮，如果暴露在意外火災中以滿足特定的行為和表現。許多研究工作提供了除了法規和規范外的指引，解釋了暴露在高溫下材料性能的變化。大部分的研究動機來自吸取以往事件的經驗教訓。參考文獻：[1]ACI材料學報，卡斯蒂略和杜蘭尼，“瞬態高溫對高強度混凝土的影響”。87，1號，1990，頁47-53。[2]“高強混凝土在高溫下孔壓”第三屆國際會議論文集：性能，創新和結構對建材的影響，溫哥華2005年。[3]“混凝土建筑物消防安全”水泥混凝土骨料及澳大利亞，2010。[4]“高強度的防火性能混凝土結構構件”渥太華研究所在建筑上的研究，1999年。[5]弗林博士，“高性能混凝土的應對火災條件：回顧熱性能數據和計量”的技術報告。[6]阿什利，“混凝土結構抗火”全國預拌混凝土協會，2007年，第67-70頁。[7]“結構防火工程設計”，巴特沃思·海涅曼，佐敦希爾，牛津大學，1996。[8]曼爾·卡馬拉，“火與混凝土結構”2008年。[9]羅德里格斯，復合材料結構，阿姆科雷亞，“鋼纖維混凝土柱在火災中的行為”卷92，第5號，2010年，第1263-1268頁。[10]卡斯帕，諾伊曼，“區域供熱隧道在哥本哈根與鋼纖維混凝土個片段襯砌設計”隧道與地下空間技術，卷23，第5號，2008，第574-587頁。[11]“土木工程材料”，第二版，PrenticeHall出版社，2001年。[12]“工業消防工程”威利，霍博肯，2003年。[13]哈達德，阿爾·薩利赫新墨西哥州，消防安全雜志，“高溫對鋼筋和纖維混凝土之間粘結效應”。卷43，第5號，2008。334-343頁。[14]歐洲規范2，“混凝土結構設計規范：1.2部分：結構防火設計一般規則”歐洲標準化委員會，布魯塞爾，1992年1月2日，2004。[15]“鋼筋的高溫力學性能的實驗評估”消防安全研究所碩士論文。卷44，第6號，2009，909-919頁。[16]羅德里格斯，復合材料結構，阿姆科雷亞，“鋼筋纖維混凝土柱在火災中的行為”。卷92，第5號，2010。第1263-1268頁。[17]馬亨德蘭，“在高溫下形成鋼的冷力學性能”薄壁結構，卷49，第1號，2011，26-44頁。[18]米馬亨德蘭“預測輕型鋼在高溫下的力學性能”中國結構鋼的研究，卷59，2003年第12號，第1517-1532頁。[19]“高溫試驗冷彎型鋼材料的調查”薄壁結構，卷45，第1期，2007年，第96-110頁。[20]王永慶，復合材料結構，“纖維增強聚合物（FRP）鋼在高溫下鋼筋位置的力學性能和有經驗的心理研究”。卷80，第1期，2007年，131-140頁。[21]阿巴西和霍格，“玻璃纖維鋼筋溫度和環境影響：彈性模量，混凝土強度和界面粘結強度”復合材料：B部分，卷36，第5號，2005年，394-404頁。[22]阿加德納，羅梅羅，薄壁結構，“消防混凝土填充橢圓鋼柱的行為”。卷49，第2期，2011，239-255頁。[23]米鈺，十查，和華李，“鋼管混凝土框架結構抵抗火反應”結構穩定性與動力學雜志，卷10，第2期，2009，253-271頁。[24]羅梅羅和阿加德納，“偏心高強鋼管混凝土柱的防火加載性能”中國結構鋼的研究，卷83，2013，137–146頁。[25]消防安全雜志，“鋼管混凝土（CFST）柱，以鋼筋混凝土梁接頭，防火性能”。卷51，2012，68-84頁。[26]羅梅羅和阿加德納，“高級預測模型鋼管混凝土柱的防火響應”結構鋼的研究，卷66，8-9號，2010，1030-1046頁。[27]“復合超薄地板結構防火行為”建筑結構學報，卷126，第7號，2000年，830-837頁。[28]伯吉斯，結構鋼的研究，“剪力連接件對組合鋼架建筑的消防行為的影響”。卷51，第3號，1999年，219-237頁。[29]沃爾德，西蒙斯達席爾瓦，列儂，圣地亞哥，貝奈斯和博爾赫斯“自然火災下鋼結構的行為實驗”消防安全雜志，卷41，2006年，509-522頁。[30]土木工程系，2010年開放期刊“復合混凝土梯形鋼板板坯在消防行為”。[31]“鋼框架結構半剛性連接在火災下性能的影響”博士論文，謝菲爾德·瓊斯，1997年。[32]ACI216.1-07/TMS-0216