灭火技术对火灾后钢筋混凝土柱循环性能的影响

《Structures》：Influence of fire extinguishing techniques on the post-fire cyclic performance of reinforced concrete columns

　　

摘要钢筋混凝土（RC）结构以其固有的耐火性而闻名；然而，暴露于高温仍会显著劣化其力学性能，降低承载能力，并引起不可逆变形。在影响 RC 构件火灾后性能的各种因素中，灭火方法起着关键但常被忽视的作用。冷却技术不仅影响火灾暴露期间和之后的温度分布，还影响结构构件内温度梯度、内部应力和损伤机制的发展。特别是，使用水进行快速冷却可能引起热冲击和微开裂，而自然冷却则允许更逐渐的温度降低。本研究调查了两种灭火技术（自然空气冷却和水淬火）对 RC 柱火灾后循环行为的影响。采用顺序有限元框架，该框架经过可用实验数据的验证，用于评估热响应和火灾后残余行为，以比较评估火灾受损 RC 柱的预测循环响应。分析包括两个主要阶段：（1）瞬态热分析，用于确定火灾暴露期间柱截面内的温度分布；（2）结构分析，使用劣化的材料性能评估循环响应参数。试件建模为基础固接和顶部侧向支撑，复制了先前实验研究中观察到的条件。在采用数值框架的假设内，预测结果表明冷却程序影响了所研究 RC 柱的火灾后循环响应。尽管水冷模型中温度降低更快，但在数值框架的假设内，更陡峭的预测温度梯度和采用的冷却依赖材料劣化导致更大的混凝土损伤和刚度退化。与自然冷却的柱相比，水冷柱的关键指标如侧向承载能力、刚度退化和能量耗散明显较低。这些发现强调了在评估地震区火灾受损 RC 结构的残余性能时考虑灭火策略的重要性。

引言每年，火灾对各种类型的结构（包括钢筋混凝土建筑）造成重大且往往不可修复的损害。尽管由于混凝土固有的耐火性，混凝土结构在火灾暴露期间通常保持整体稳定性，但 intense heat can cause substantial and sometimes irreversible alterations in their mechanical and structural characteristics. 这些变化包括抗压强度、弹性模量的降低以及混凝土与钢筋之间粘结完整性的破坏，所有这些都可能削弱结构构件的承载能力和刚度。对遭受火灾的混凝土结构的评估通常分为两个截然不同的阶段：第一阶段涉及分析结构在活跃火灾暴露期间的行为，其中温度分布、爆裂和立即荷载重分布是关键因素。第二阶段关注火灾熄灭后的火灾后状况，在此阶段结构的残余力学性能、损伤进展和长期耐久性成为主要关注点 [1]。

大量研究集中在了解火灾暴露期间混凝土构件的热和力学行为，包括耐火等级和失效模式。然而，近期的研究越来越认识到火灾后阶段需要全面评估，特别是鉴于受火灾影响的混凝土结构的残余能力可能与其原始设计假设显著不同。这一阶段对于确定火灾事件后结构的安全性和适用性至关重要，并为关于修复、加固或拆除的决策提供信息。因此，重点已转向调查火灾暴露后混凝土和钢筋的残余强度、刚度退化和断裂行为等关键力学性能的变化。了解这些火灾后特性对于可靠的结构评估至关重要，特别是在地震多发区，火灾受损构件可能进一步承受循环或动态荷载 [2]。

由于混凝土的非均匀组成，其对热的响应本质上是复杂的。当暴露于高温时，混凝土会发生热膨胀、水化产物脱水和微观结构变化。这些效应导致包括抗压强度和弹性模量在内的力学性能降低。许多研究报告称，显著劣化始于 300°C 以上，随着温度超过 500°C，观察到更严重的损伤 [2,3]。这种劣化主要源于水化硅酸钙（C-S-H）相中化学结合水的流失和氢氧化钙的分解，这损害了混凝土基体内部的凝聚力。在受热的混凝土中观察到的最具破坏性的现象之一是爆裂，这是指由于内部孔压积聚和热应力导致表层爆炸性剥离。爆裂使混凝土内层和钢筋暴露于直接热量中，显著加速了劣化过程 [4]。近期研究强调，爆裂的严重程度取决于混凝土渗透性、含水率、加热速率以及聚丙烯纤维的存在等因素，这些纤维可以充当蒸汽释放的微通道，从而减轻爆裂 [5]。嵌入混凝土中的钢筋在高温下也会经历显著变化。实验研究表明，钢的屈服强度和弹性模量在 400°C 以上急剧下降，在 600°C 左右发生近乎完全的强度损失 [6]。此外，钢和混凝土之间的差热膨胀导致粘结劣化，进一步降低了结构性能所需的组合作用 [7]。这种粘结劣化至关重要，因为它影响荷载传递机制，并可能导致 RC 构件在火灾暴露期间或之后过早失效。先进的数值模型已成为研究火灾期间 RC 结构热和力学行为的不可或缺的工具。这些模型结合温度相关材料特性、瞬态传热分析和耦合热 - 力相互作用来模拟真实的火灾场景 [8]。此类模型能够预测温度梯度、应力发展和潜在失效模式，指导耐火结构的设计和应急响应策略。

RC 构件的火灾后残余性能通常与其原始值显著偏离，即使表面损伤看似微小。Dwaikat 和 Kodur [9] 强调，暴露于标准火灾曲线后，残余抗压强度和刚度可减少 50% 以上。这种减少对结构安全有深远影响，特别是在地震区，火灾受损构件可能在余震或未来地震期间承受循环或动态荷载。Memon 等人 [10] 强调在此类组合灾害下火灾暴露 RC 柱的脆弱性，呼吁建立综合评估框架。除了力学劣化外，高温引起微开裂和内部损伤，损害混凝土的耐久性。这些微观结构缺陷增加了渗透性，允许氯离子和二氧化碳等侵蚀性物质侵入，加速钢筋腐蚀并进一步降低结构寿命。因此，火灾后评估除力学性能外，还必须考虑耐久性和维护方面。

近年来，提高 RC 结构耐火性的创新方法引起了广泛关注。在混凝土混合料中加入聚丙烯纤维是减少爆裂最有前景的方法之一，通过在加热期间促进蒸汽压力释放来实现 [11]。此外，粉煤灰、硅灰和偏高岭土等辅助胶凝材料已被证明可以通过细化微观结构和减少孔隙率来增强混凝土的高温稳定性。尽管取得了这些进展，但关于全尺寸结构构件性能的综合数据仍然稀缺，需要进一步的实验和数值研究。除了材料层面的改进外，正在开发基于性能的防火设计方法来预测和确保火灾条件下的充足结构响应。这些方法依赖于稳健的本构模型和可靠的实验数据来准确模拟火灾场景和结构行为 [12]。将防火工程原理与结构工程相结合，促进了优化设计和风险缓解。总之，高温对 RC 结构的影响涉及影响力学性能、粘结完整性和耐久性的多方面劣化过程。当前的研究工作致力于通过先进建模、实验研究和开发耐火材料来提高理解。这些努力对于提高混凝土基础设施的安全性和韧性至关重要，特别是在暴露于火灾和地震灾害的地区。持续的跨学科研究对于开发反映受火灾影响的 RC 结构复杂现实的全面设计规范和评估方法至关重要。

尽管大量研究考察了高温对结构材料和系统的影响，但灭火技术在塑造火灾后结构行为中的作用直到最近才引起广泛关注。火灾后的冷却阶段不仅仅是恢复期，而是一个关键阶段，它可以决定混凝土、钢和组合结构中残余损伤的程度。冷却的方法和速率，无论是通过自然空气冷却还是如水淬火等主动抑制，都可能显著影响材料微观结构、粘结完整性和长期性能。在钢筋混凝土（RC）结构中，向热表面突然应用水可能引起热冲击，这在截面上产生陡峭的温度梯度。这种情况通常导致微开裂、分层，在严重情况下导致爆炸性爆裂 [13]。水淬火也可能由于水分渗透和突然收缩而损害混凝土与钢筋之间的粘结，最终削弱对结构完整性至关重要的组合作用。相比之下，自然空气冷却往往允许更逐渐的温度降低，限制高内部应力的发展。几项研究（例如 [10]）表明，尽管暴露于相同的峰值温度，经受自然冷却的 RC 柱比其水淬火 counterparts 保持更高的火灾后刚度和能量耗散能力。在钢结构中，快速冷却，特别是水喷雾或雨淋系统，可能导致受热钢构件发生淬火硬化或脆性行为。尽管钢在冷却后恢复强度，但反复的加热和快速冷却循环可能导致残余应力积累、延性降低以及疲劳或断裂敏感性增加 [3]。防火工程师越来越意识到在为钢框架系统选择灭火方法时平衡热管理与力学韧性必要性。在组合和预应力混凝土结构中，灭火策略可能产生复合效应。水淬火不仅影响混凝土基体，还可能破坏预应力构件中的钢筋应力水平或损坏复合材料中的纤维增强材料。例如，合成纤维增强聚合物（FRPs）对温度和水分都非常敏感；如果用 水灭火，其火灾后承载能力将显著降低 [14]。自然冷却虽然不太剧烈，但可能允许更深的热渗透，潜在影响内部预应力钢或锚固系统。

灭火技术的影响不仅限于材料层行为，还影响结构系统的整体响应。结合火灾和冷却阶段的结构模拟显示，失效模式、残余变形和地震脆弱性可能根据应用的冷却方法而显著变化 [12]。此外，快速冷却期间形成的残余裂纹可充当应力集中点，损害结构在后续荷载（如地震或强风事件）下的性能。

近期研究越来越多地关注受循环加载作用的钢筋混凝土和组合结构系统的火灾后抗震性能。Azadi Kenari 等人 [15] 调查了再生骨料混凝土梁柱节点的火灾后抗震行为，并证明高温显著影响滞回响应、刚度退化、延性和能量耗散特性。Wang 等人 [16] 实验考察了火灾暴露后型钢混凝土框架系统的抗震性能，报告了刚度和承载能力的大幅降低，伴随滞回行为和残余变形模式的变化。Feng 等人 [17] 评估了火灾后装配式梁柱节点的循环响应，表明火灾暴露可能通过不同的损伤机制影响强度、刚度、延性和能量耗散。在结构层面，?olako?lu [18] 数值调查了火灾位置对 RC 框架火灾后抗震性能的影响，并强调了火灾引起的损伤分布在侧向阻力、刚度退化和能量吸收能力方面的显著作用。此外，Wang 等人 [19] 对 RC 框架结构进行了大规模地震 - 火灾 - 余震实验，证明了在顺序灾害场景下结构刚度和动态特性的显著恶化。最近，Ganesan 和 Suyamburaja [20] 实验研究了遭受火灾引起热冲击随后进行循环加载的 RC 板，报告了快速水冷却后强度、延性和累积能量耗散严重降低。

尽管这些研究显著推进了对火灾后地震行为的理解，但大多数现有调查主要集中在火灾暴露、温度水平、火灾位置、材料类型或结构配置的影响上。灭火技术和冷却条件的影响，特别是自然冷却和浇水冷却对钢筋混凝土柱火灾后循环行为的比较影响，仍理解不足。这一知识缺口尤为重要，因为冷却引起的热损伤可能严重影响受损钢筋混凝土构件的残余抗震性能，进而影响火灾后结构评估程序的可靠性。总之，火灾后的冷却阶段是决定结构系统残余性能的关键阶段。灭火方法的选择，无论是自然还是强制，干燥还是湿润，都会对结构的力学行为、耐久性和抗震韧性产生深远影响。随着该领域的发展，结合火灾科学、结构力学和紧急响应的综合研究对于在不损害结构安全的前提下优化灭火策略至关重要。

尽管有大量研究考察了高温对钢筋混凝土（RC）构件力学和结构行为的影响，但火灾后冷却技术，特别是灭火程序的影响，在实验和数值研究中仍未得到充分解决。现有文献大多集中在火灾暴露期间及紧随其后的材料性能热退化、耐火等级和破坏模式上。然而，只有少数研究系统地探索了不同的冷却制度，如自然空气冷却与水冷淬火，如何影响 RC 结构的火灾后循环行为，特别是在地震类型加载条件下。此外，虽然少数近期研究强调了冷却引起的热冲击、剥落以及混凝土与钢筋之间的粘结退化的作用，但缺乏对不同灭火方法下 RC 柱残余横向强度、刚度和耗能能力的全面比较。经历火灾和随后循环或地震加载的结构行为，这在震后火灾情景中很常见，是一个特别未充分探索的领域。此外，大多数当前的火灾后评估协议和设计标准没有明确考虑灭火技术的影响，可能导致对残余能力的不安全估计或不适当的加固策略。

本研究对灭火技术对钢筋混凝土柱火灾后循环性能的影响进行了全面调查。研究结果表明，冷却方法的选择（自然冷却与强制水冷）可以显著影响热损伤程度、残余刚度、耗能以及在循环加载下的整体结构性能。虽然快速水冷淬火可能降低内部峰值温度，但它也引入了严重的温度梯度和内部应力，导致更大的粘结恶化和微裂缝，最终损害结构完整性。相比之下，自然冷却尽管允许更长的高温暴露时间，但倾向于产生更稳定的火灾后力学行为。这些结果强调了在基于性能的工程和抗震设计实践中将灭火方法作为关键变量的必要性。通过强调火灾、冷却策略和动态加载之间的相互作用，本工作为结构工程师、规范制定者和应急响应规划者提供了重要的知识。它还为未来混合灭火策略和基于性能的火灾后评估工具的研究铺平了道路，最终旨在提高火灾易发和地震地区结构的韧性和安全性。

章节摘要方法本研究采用的方法论包括一个结合热分析和结构分析的两阶段数值方法，旨在评估不同灭火技术下钢筋混凝土（RC）柱的火灾后循环行为。总体框架包括：（1）考虑自然冷却和基于水的冷却场景的暴露于火灾的 RC 柱热建模；（2）准静态循环加载下的火灾后结构分析以模拟

结果与讨论本节展示了为调查灭火技术对钢筋混凝土（RC）柱火灾后循环行为影响而进行的数值模拟结果。结果分为两个主要部分。首先，通过将模拟结果与现有实验数据进行比较来验证所开发数值模型的准确性。此后，进行详细的参数研究以评估不同火灾持续时间的影响以及

结论本文调查了不同灭火技术（自然冷却与诱发水冷）对四面对称火灾暴露下钢筋混凝土柱火灾后循环行为的影响。使用经过验证的热力学数值模型，本研究分析了火灾持续时间和冷却方法对温度分布、材料退化以及循环横向加载下结构性能的影响。应注意

CRediT 作者贡献声明 Soroor Etesami：可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理。Abbas Rezaeian：写作——审查与编辑、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据整理、概念化。Majid Khayat：写作——初稿、可视化、验证、软件、方法论、正式分析、数据整理。

利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢作者感谢阿瓦士沙希德·查姆兰大学研究委员会（资助编号：SCU. EC98.366）为开展此项研究工作提供必要的设施和资金支持。

Soroor Etesami|Abbas Rezaeian|Majid Khayat 阿瓦士沙希德·查姆兰大学土木与建筑学院，伊朗阿瓦士