本发明属于工程材料技术领域，尤其涉及一种钢筋混凝土梁抗火性能检测方法及防火涂料防火检测方法。
背景技术：
目前，业内常用的现有技术是这样的：
我国在钢筋混凝土结构的抗火研究起步的比较晚。朱伯龙、陆洲导和李引擎等对钢筋和混凝土材料的高温性能，钢筋混凝土构件和结构的抗火性能方面进行了较全面研究，对我国钢筋混凝土结构抗火性能的研究有极大地推动作用。
我国在一九八九年在中国科学技术大学成立了火灾科学国家重点实验室，随后原冶金部建筑科学研究总院等纷纷在二十世纪八十年代中后期开始进行相关的试验和研究，例如混凝土的材料、构件和结构的抗火性能研究；通过试验对材料和构件不同恒定温度下，进行极限抗弯强度和极限抗剪强度的分析研究，对柱进行压弯下的抗火研究；通过试验和研究分析得出，在高温下压弯构件的变形和受力性能不同常温下的变化，非常复杂；陆洲导等对研究了24根钢筋混凝土梁，针对不同的保护层厚度、变化的荷载、不同的升温曲线和纵向钢筋配筋率进行了高温试验，分析了不同的参数对梁的耐高温性能的影响；李引擎等研究了高温下超静定结构的内力重分布和变形规律。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有技术中，混凝土构件表面没有设置防火涂料，造成抗压强度过小。
近年来建筑物火灾时常发生，各种火灾给人民生命财产带来了不可估量的损失。在高温火灾下，混凝土会爆裂，钢材的材料强度显著降低，钢筋混凝土结构的材料强度和力学性能会发生很大的变化，变形明显增大，而且构件体积膨胀、截面的温度分布不均匀使截面产生自平衡温度应力和构件弯曲变形，使结构体系破坏。
现有技术中，没有对高温下钢筋混凝土构件的强度和变形规律，分析和计算rc梁火灾高温下温度场，不能对火灾中的混凝土结构进行防火涂料保护。
解决上述技术问题的难度和意义：
1)根据混凝土和钢筋在高温下的热工和力学性能，分析了高温下影响混凝土和钢筋的力学性能的各种因素；并且对混凝土高温下的立方体抗压强度进行了材料试验，在多个温度段下对多组混凝土试件进行加热，并观察记录混凝土的外观变化，冷却后再进行混凝土材料的抗压强度试验，得到不同温度段下混凝土试件的表观特征和抗压强度变化规律。
2)通过混凝土和钢筋在遇到火灾而产生高温的作用下的热物理性能，以及在发生火灾时混凝土构件截面温度场内容，推导在火灾等高温条件下钢筋和混凝土的热物理计算公式，并以传热学为理论基础，同时也对构件的瞬态和非瞬态温度场进行了分析，确定在不同火灾燃烧时间的钢筋混凝土梁截面温度场的火灾火灾升温曲线。
3)基于matlab分析不同参数条件下的钢筋混凝土梁的内部温度场，试验分析出增加钢筋数量、抑或降低初始荷载的加载梁均能提高钢筋混凝土梁的防火承载力。钢筋混凝土梁构架在受热条件下，其热量传递趋势是有外部逐渐向内部聚集，同时设置了防火涂料的保护层为惰性层，类似于起到热缓冲带的作用。构件内部温度梯度的增加受钢筋混凝土构件中的钢筋，特别是箍筋的影响很明显。但是，当钢筋混凝土梁具有适当配筋率时，即使在高温下梁仍具有很大的剩余承载力。在火灾作用下，受火时间及配筋率对构件剩余承载力的影响作用大过于初始荷载的影响。
4)对涂有膨胀型防火涂料的c25混凝土试块进行了高温试验，然后将实验结果与没有涂防火材料的c25进行比较，分析了膨胀型防火涂料在发生火灾时对混凝土结构的建筑的保护作用。
本发明采用在混凝土试块表面涂上膨胀型防火涂料，然后使用sqw-a材料高温强度试验仪，分别对涂有防火涂料和未涂防火涂料在常温下和高温作用下进行抗压强度和破坏荷载试验，进行对比，分析研究膨胀型防火涂料对混凝土结构的防火保护作用。结果显示涂有防火涂料的混凝土试块在600℃的高温下恒温加热1h后抗压强度依然有21.5mpa，强度值与常温下混凝土的抗压强度差不多，而没有涂防火涂料的混凝土试块同样条件下的抗压强度仅为10.8mpa，仅为涂了防火涂料的混凝土试块强度的一半，另外涂了防火涂料后试块的破坏荷载也有比较明显的提升。
本发明分析研究膨胀型防火涂料在发生火灾的时候能够对混凝土起到很好的保护作用。
难度：
(1)研究分析钢筋和混凝土的热工、热学力学性能以及钢筋混凝土高温粘结—滑移机理及其影响因素的灰关联度分析。
(3)对rc梁的热传导方程及其定解条件进行理论分析。
(4)基于matlab分析了不同参数条件下构件内部温度场。
(5)本发明通过运用sqw—a材料高温强度试验仪，将防火涂料覆盖在混凝土材料的表面来模拟在火灾高温作用下，测定混凝土的高温抗压强度，并与相同条件下的混凝土试件的抗压强度进行了对比，来研究防火涂料的不同厚度对混凝土结构的防火性能的保护作用。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钢筋混凝土梁抗火性能检测方法及防火涂料防火检测方法。对混凝土和钢筋在高温下的热工和力学性能进行了研究和分析，并且对混凝土高温下的立方体抗压强度进行了材料试验，在多个温度段下对多组混凝土试件进行加热，并观察记录混凝土的外观变化，冷却后再进行混凝土材料的抗压强度试验，得到不同温度段下混凝土试件的表观特征和抗压强度变化规律；
对rc梁的热传导方程及其定解条件进行了一系列的理论分析，得出：
构件表面的综合换热系数受火场温度以及构件表面温度的影响，建筑材料的热工性能参数是温度的函数。根据系统介质表面与周围介质热交换相互作用的特点将边界条件分为三类，得出每类边界条件上的温度函数；
对混凝土构件的三个面同时均匀受火的情况下采用matlab进行编程，全过程地模拟构件内部的传热与变形过程，从而对构件的内部温度场和结构随着火灾的进行程度的变化过程和火灾后梁的剩余承载力进行分析研究；
运用sqw—a材料高温强度试验仪对涂有防火涂料的混凝土进行高温试验，研究防火涂料的不同厚度对混凝土结构的防火性能的保护作用。
目前对混凝土结构的抗火性能和防火涂层的研究尚存诸多问题：
(1)在国内外展开的诸多结构火灾下(后)研究工作中，主要集中在无防火涂层构件和结构体系上，而对于有防火涂层的混凝土结构遭受高温后的性能却没有给予足够的关注。根据大量火灾现场踏勘和灾损鉴定发现，由于无防护涂层保护，混凝土结构遭受高温作用后，出现不同程度损伤，有的甚至永久破坏。若有防护涂层保护，可以延缓和减轻混凝土结构的火灾损伤，提高其延火时间，减少人员及经济损失。应针对有防火涂层的混凝土结构进行研究。
(2)国内外学者对火灾作用后混凝土结构的动力性能研究较少。本专利要加强对火灾后钢筋混凝土梁进行动力性能研究，并对常温下和火灾作用后动力性能试验研究结果进行对比分析，一阶频率和刚度与常温进行比较。
(3)本发明要加强防火涂层对高温作用后混凝土强度的研究影响。
主要内容：①测定不同厚度防火涂料混凝土试块高温后的抗压强度，②检测钢筋混凝土梁受火后混凝土强度。方法：①对比未受高温与受高温混凝土试块的抗压强度，研究防火涂层对混凝土结构的保护作用，并提出钢筋混凝土强度折减经验公式；②对钢筋混凝土梁受火按由底至顶及烧损深度的方法来检测混凝土强度，采用修正回弹法计算混凝土强度值，分析受火后混凝土强度沿梁高及烧损深度的变化规律。
本专利要加强基于火灾下钢筋混凝土梁的温度场、位移时程的数据分析，揭示了防护涂层对混凝土结构抗火性能的影响程度。基于火灾后钢筋混凝土梁的位移、应变及刚度、频率等数据分析，给出了混凝土结构火灾后的剩余承载能力及动力特性状况。通过测定混凝土试块高温后的抗压强度，并对比未受高温的试块，研究了防火涂料不同厚度对混凝土结构的防火保护作用，给出了钢筋混凝土梁强度折减经验公式。通过对钢筋混凝土梁按由底至顶及烧损深度的方法来测定混凝土强度，计算混凝土强度值，揭示了受火后混凝土强度沿梁高及烧损深度的变化规律。
本发明分析了iso834火灾升温计算模型，要明确火灾分析采用的升温模型和理论计算方法，通过对比火灾过程中结构温度场的试验数据，揭示了结构温度场由外至内的热传导规律，并运用大型通用软件建立有限元模型，进行温度场的非线性分析，通过与实测值对比，验证了模型的正确性。
本发明是这样实现的，一种钢筋混凝土梁抗火性能检测方法，所述钢筋混凝土梁抗火性能检测方法包括以下步骤：
步骤一，对混凝土和钢筋在高温下的热工和力学性能进行检测；
步骤二，对rc梁的热传导方程及其定解条件进行了一系列的理论分析；
步骤三，对混凝土构件的三个面同时均匀受火的情况下采用matlab进行编程，全过程地模拟构件内部的传热与变形过程，从而对构件的内部温度场和结构随着火灾的进行程度的变化过程和火灾后梁的剩余承载力进行分析；
步骤四，运用sqw一a材料高温强度试验仪对涂有防火涂料的混凝土进行高温试验，分析防火涂料的不同厚度对混凝土结构的防火性能的保护能力。
进一步，回归得出i级至v级钢筋高温下屈服强度的计算式，即i级至iv级钢
v级钢
高温下i级至v级钢筋屈服应变可按下式计算，即
式中，钢筋的常温下屈服应变
各强度等级钢筋高温t≥200℃下极限应变按下式计算，即
i级钢
ii、iii、iv级钢
v级钢
进一步，高温下钢筋应力—应变曲线方程包括：
高温t≥200℃下钢筋的应力—应变曲线方程分为屈服前的弹性段和屈服后的强化段，计算式分别为
式中：
强化段曲线所取的相对坐标为
高温下钢筋的弹性模量est＝fyt/εyt；
根据非预应力钢筋在经历高温后应力一应变曲线变化的特点，非预应力钢筋在经历高温后的应力一应变计算模型采用三折线的的方法建立；钢筋的应力与应变的数学表达式如下式所示：
σ's(σ,t)＝e's(t)ε's(t)0≤ε's(t)≤ε'y(t)
σ's(σ,t)＝f'y(σ,t)ε'y(t)＜ε's(t)＜ε'sh(t)
式中：σ's(σ,t)—初始应力为σ经历最高温度为t℃后，非预应力钢筋的应力(n/mm2)；
e's(t)、ε's(t)—经历最高温度为t℃后钢筋的弹性模量和应变；
ε'sh(t)—经历最高温度为t℃后钢筋开始强化时的应变；
ε'u(t)—高温后非预应力钢筋破断点应变。
进一步，钢筋混凝土结构温度场的分析方法包括：
解析法：
边界条件和室温温度20℃的初始条件是定解条件，微分方程由热传导方程和定解条件组成：
对于无限大平板，采用拉普拉斯变换的到如下方程，即
式中：y—板内距受火面的距离
erf(x)—高斯误差函数，
α—混凝土的导温系数m2/s，α＝1/(ρc)
另一种是分离变量法求解热传导方程，即
式中：
—构件表面坐高温度的增量；
当表面带有非燃烧性饰面的构件受火时，
计算的面层厚度采用折算厚度，折算厚度d0按混凝土的的厚度折算，即：
式中：
a—混凝土的导温系数(常温)(m2/s)，a＝1/(ρc)；
a1—面层材料的导温系数常温m2/s；
d—材料面层的厚度mm。
进一步，数值的计算法：
温度场的数值计算方法采用有限差分法，二维导热问题的显式差分方程为：
根据边界条件，求得所考察对象截面内部温度场的分布应用此差分方程；
上式的泛函为：
进一步，有限元分析法包括：
在结构抗火分析时，温度场的计算采用ansys、abaqus、matlab有限元软件分析，abaqus中的瞬态温度场分析采用有限元-差分混合分析法，差分法采用向后差分格式，利用改进的牛顿迭代法进行计算，程序根据迭代情况自动选择时间增量部以促进收敛；
具体包括：
非线性瞬态温度场的分析：
非线性抛物线型偏微分热传导方程：
式中：λ—材料的导热系数(w/m·℃)；
ρ—为材料密度(kg/m3)；c为比热(j/kg·℃)；t为温度(℃)；
钢筋混凝土梁截面瞬态热传导的基本微分方程：
根据构件所在的环境、与周围介质的换热条件，把边界条件分成四种类型：
已知构件边界(l2)上的热流量(n为法向)是时间t的函数；
与结构相接触的流体介质温度(ta)为已知的时候，通过边界(l3)的热流量为
结构与其他固体物质相接处，已知边界(l4)上的传热条件。
迎火面周围流体温度和流体之间的对流系数已知，边界热流平衡方程写为：
式中t—表示的是瞬态温度(℃)；
α—表示结构构件之间与火焰热流体的换热系数(w/m-2·c)
n—边界的外法线方向；
t|s—表示的是构件表面的温度(℃)；
te—境流体温度(℃)；
α的意义是综合换热系数。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述钢筋混凝土梁抗火性能检测方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种所述钢筋混凝土梁抗火性能检测方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的钢筋混凝土梁抗火性能检测方法。
本发明的另一目的在于提供一种钢筋混凝土梁防火涂料的防火检测方法，所述钢筋混凝土梁防火涂料的防火检测方法使用所述的钢筋混凝土梁抗火性能检测方法。
本发明的优点及积极效果为：
本发明通过对rc梁的混凝土和钢筋的热工性能和力学性能研究以及钢筋与混凝土的高温粘结性能的研究，得出了常温下和高温下热工、力学性能的差异；对防火涂料保护下rc梁抗火性能对进行了一系列的研究和分析，得到的表面设置防火涂料的rc梁抗火性能研究的相关结论，对结构构件设计和火灾后加固具有一定的指导意义。
(1)本发明通过运用sqw一a材料高温强度试验仪，将防火涂料覆盖在混凝土材料的表面来模拟在火灾高温作用下，测定混凝土的高温抗压强度，并与相同条件下的混凝土试件的抗压强度进行了对比，来研究防火涂料的不同厚度对混凝土结构的防火性能的保护作用。研究表明：表面设置防火涂料的混凝土构件的抗压强度达到15.81mpa，远大于表面未设置防火涂料的混凝土构件的抗压强度，只有10.781mpa。这说明在混凝土表面设置防火涂料提高了混凝土防火作用效果。
(2)对火灾的温度—时间曲线进行了一系列的分析研究，以升温段和降温段的时间t的表达式关系为基础，分别运用解析法、数值法、有限元法对对结构构件的温度场进行了分析。给出了标准火灾升温曲线下构件截面下温度场，并对其计算过程做出了如下假设和条件：
(b)rc构件截面的混凝土材料必须连续、匀质，而且忽略截面上钢筋面积的影响，以及混凝土开裂或表层崩脱后截面局部变化随引起的温度重分布；
(c)高温下普通混凝土的导热系数、比热容和密度分别计算；
(3)对rc梁的热传导方程及其定解条件进行了一系列的理论分析。
(4)基于matlab分析了不同参数条件下表面设置防火涂料的钢筋混凝土梁的内部温度场，试验表明，增加钢筋数量，抑或降低初始荷载的加载梁均能提高钢筋混凝土梁的防火承载力。表面设置防火涂料的钢筋混凝土梁构架在受热条件下，其热量传递趋势是有外部逐渐向内部聚集，同时间设置了防火涂料的保护层为惰性层，类似于起到热缓冲带的作用。由于钢筋混凝土构件中的钢筋，特别是箍筋的作用对构件内部的温度梯度增加具有较大的影响。而且具有适当配筋率的钢筋混凝土构件，在火灾后仍然具有较大的剩余承载力在火灾作用下，受火时间及配筋率对构件剩余承载力的影响作用大过于初始荷载的影响。
本发明对涂有膨胀型防火涂料的c25混凝土试块进行了高温试验，然后将实验结果与没有涂防火材料的c25进行比较，分析了膨胀型防火涂料在发生火灾时对混凝土结构的建筑的保护作用。
本发明采用在混凝土试块表面涂上膨胀型防火涂料，然后分别使用sqw-a材料高温强度试验仪，分别对涂有防火涂料和未涂防火涂料在常温下和高温作用下进行抗压强度和破坏荷载试验，分析研究膨胀型防火涂料对混凝土结构表面的防火保护作用。试验结果显示涂有防火涂料的混凝土试块在600℃的高温下恒温加热1h后抗压强度依然有21.5mpa，强度值与常温下混凝土的抗压强度差不多，而没有涂防火涂料的混凝土试块同样条件下的抗压强度仅为10.8mpa，仅为涂了防火涂料的混凝土试块强度的一半，另外涂了防火涂料后试块的破坏荷载也有比较明显的提升。综上所述，膨胀型防火涂料在发生火灾的时候能够对混凝土起到很好的保护作用。
附图说明
图1是本发明实施提供的钢筋混凝土梁抗火性能检测方法及防火涂料流程图。
图2是本发明实施提供的三面受火情况下梁或柱的截面温度场(截面尺寸：200mmx300mm)。
图3是本发明实施提供的三面受火情况下梁或柱的截面温度场(截面尺寸：200mmx500mm)。
图4是本发明实施提供的三面受火情况下梁或柱的截面温度场(截面尺寸：300mmx300mm)。
图5是本发明实施提供的三面受火情况下梁或柱的截面温度场(截面尺寸：300mmx500mm)。
图6是本发明实施提供的三面受火情况下梁或柱的截面温度场(截面尺寸：400mmx400mm)。
图7是本发明实施提供的梁l1挠曲线运用matlab下计算的simulink仿真框图。
图9是本发明实施提供的初始荷载对梁防火承载力的影响图。
图10是本发明实施提供的钢筋数量对梁防火承载力的影响图。
图11是本发明实施提供的升降温过程曲线图。
图12是本发明实施提供的截面应变分析图。
图13是本发明实施提供的火灾后载荷-挠度比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，没有对高温下钢筋混凝土构件的强度和变形规律，分析和计算rc梁火灾高温下温度场，不能对火灾中的混凝土结构进行防火涂料保护。
一，下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的钢筋混凝土梁抗火性能检测方法，包括以下步骤：
s101，对混凝土和钢筋在高温下的热工和力学性能进行检测；
s102，对rc梁的热传导方程及其定解条件进行了一系列的理论分析；
s103，对混凝土构件的三个面同时均匀受火的情况下采用matlab进行编程，全过程地模拟构件内部的传热与变形过程，从而对构件的内部温度场和结构随着火灾的进行程度的变化过程和火灾后梁的剩余承载力进行分析；
s104，运用sqw一a材料高温强度试验仪对涂有防火涂料的混凝土进行高温试验，研究防火涂料的不同厚度对混凝土结构的防火性能的保护作用。
本发明实施例提供的一种钢筋混凝土梁防火涂料，分类：
常用的防火涂料，根据高温下涂层的变化不同，常分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料两种。
在遇到火以后，自身会发泡而膨胀的是膨胀型防火涂料。该防火涂料膨胀以后会比原厚度增加十几倍到数十倍，并且形成多空碳质层，如同形成了一道绝热屏障，有效的阻挡外部热源对基材的传热，对应的耐火极限为0.5h～1.5h以上。膨胀型防火涂料涂层的厚度常为3～7mm，因此又称为薄型防火涂料。
非膨胀型防火涂料，遇火后不发生膨胀，涂料本身具有良好的隔热性，对应的耐火极限较高，可以达到0.5h～3h以上。非膨胀型防火涂料其涂层厚度从8mm～50mm，称为厚型防火涂料，其厚度大大超过薄型的防火涂料。
本发明提供的sqw-a材料高温强度试验仪主要用于无机金属材料、各种混合料高温性能的测量，可以在20℃到1400℃温度范围内完成以下实验：试样在高温下的热膨胀、热膨胀力、抗压强度、试样在固定荷载下的残留强度、热变形、常温下的抗压强度。
其主要技术参数：
(1)试样标准：圆柱体；
(2)荷载范围:0—20000n；
(3)测定变形范围：－5mm--+5mm,显示分辨率0.01mm；
(4)加热温度范围：0—1400℃；
(5)测力精度：1％fs；
(6)测变形精度：1％fs；
(7)升温速度：电脑程序；
(8)硅碳管高温参数：炉堂尺寸，电炉功率2.2kw,单端接线螺旋硅碳管80/7016080/20；
(9)加载速度：0.8-8mm/min，手动调节；
(10)仪器主体：长宽高＝7205001644mm，台式控制柜；
(11)整机重：350kg；
(12)电源：交流单机220v10％50hz,3kw。
二、下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
2.高温下立方体抗压强度
(1)实验目的
本发明主要对混凝土进行高温作用下的力学性能实验，在多个温度段下对多组混凝土试件进行加热，并观察、记录混凝土的外观变化，冷却后再进行混凝土材料的抗压强度实验，着重分析温度对混凝土强度的影响规律。
(2)实验条件
本高温下混凝土抗压强度的力学性能实验，在湖南工业大学中央与地方共建力学实验室及结构实验室进行，加温设备为gdx高低温机试验机，设备最低可以降温为－70℃，设备最高温度为为850℃，设备温度控制进度为±1℃，该设备可以完成本高温实验要求的恒载加温和恒温加载试验，立方体抗压强度的试验设备为tya-2000型电液式压力试验机，试验机最大加载能力为2000kn，精度为±1％，能够基本满足试验的目的和要求。
本试验采用iso834曲线进行升温试验，主要分析混凝土抗压强度与温度之间的关系，试验采用逐级升温方式，每次升温为100℃，保持恒温30分钟，确保高温下混凝土试件内外温度一致。
(3)试验试件及制备
本试验主要是进行高温后混凝土材料抗压强度实验，分别采用c25、c30、c35商品混凝土，每种标号浇筑21个混凝土试件，总共浇筑63个混凝土试件，试件采用150*150*150mm的标准混凝土立方体试件进行试验，试件的制备按照国家标准gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
(4)试验过程及结果分析
制备完成后的混凝土试件在标准条件下进行养护，28天后进行加温试验，试验分c25、c30、c35三组，每组试验分七个温度段进行，温度分别为：16℃(常温)、100℃、300℃、500℃、600℃、700℃和800℃，每个温度段实验为3个试件，首先将混凝土试件放于高温炉进行加热到预定温度，然后保持恒温6个小时，将冷却后的试件再进行抗压试验。这样就对不同型号混凝土试件进行了不同温度段下抗压强度的分析。
混凝土试件在升温的过程中，当温度达到200℃左右时，可以看见混凝土试件有明显的的水蒸气，此时混凝土试件内部的c-s-h凝胶结晶水，随着温度的升高而开始脱水，此时混凝土试件中的ca(oh)2脱水变成了氧化物，在高温下游离水形成水蒸气蒸发。在300℃时，水蒸气量最大，然后逐渐减少，当温度为500℃左后时几乎看不见水蒸气逸出。高温试验证明，当混凝土试件所受的温度越高时，水分损失越多，质量降低就越大，如表2.1所示
表2.1不同温度段下试件的表观特征
在不同温度条件下，混凝土试件抗压强度与常温下有很大的不同，表2.2所示为高温下混凝土立方体抗压强度与常温下混凝土立方体抗压强度fcu的比值随温度的变化情况。
表2.2高温下混凝土的抗压强度
欧洲混凝土协会总结各国试验结果，推荐按照下式(2.8)进行计算：
t≤250℃
250℃＜t≤600℃
t＞600℃(2.8)
同济大学的陆导教授等通过试验分析，建议的高温下混凝土抗压强度计算公式为(2.9)和(2.10)：
清华大学的过、李教授在相同的实验条件下，通过相同的实验设备多次试验，得出高温时的混凝土的抗压强度的结论，建议表达式如(2.11)：
按公式计算出的高温下混凝土的抗压强度，得出混凝土的高温抗压强度在温度小于300℃时与常值差不多但在温度大于300℃的时候强度降低很快。计算结果与试验规律相符程度较高。
2.1.2.2高温下混凝土抗拉强度
高温下混凝土的抗拉强度随试验温度的升高而单调下降，高温下混凝土相对抗拉强度的变化范围列于表2.3。
表2.3高温下混凝土的抗拉强度
高温下混凝土的抗拉强度可近似地拟合为直线式方程如式(2.12)所示，即
2.1.2.3高温下混凝土应力-应变曲线方程
在温度较高的情况下混凝土受压应力一应变全曲线峰值点的纵横坐标，即为高温下棱柱体抗压强度和相应的高温下峰值应变高温下混凝土棱柱体抗压强度与常温下混凝土棱柱体抗压强度fc的比值随温度的变化规律。
分析了高温下抗压强度随着温度变化的特点，给出了混凝土棱柱体抗压强度计算公式(2.13)，即：
高温下混凝土受压峰值应变εt随温度的提高而加速增长，其与常温峰值应变εp的比值随温度的变化关系可按下式计算，即
(注：l表示混凝土中骨料为石灰石；g表示混凝土粗骨料为花岗岩)
针对混凝土受压应力-应变曲线的上升段与下降段，本发明分别采用的表达式如下式(2.15)所示：
式中，σ和ε分别为高温下混凝土的应力和应变，
分别为t℃时混凝土的棱柱体抗压强度和响应的峰值应变
计算混凝土的初始弹件模量的方法，高温下和常温下是一样的，曲线上应力的比值即为相应应变和实测应力一应变，而棱柱体的抗压强度与峰值应变的比值为峰值割线模量，为简化计算，混凝土的初始弹性模量和峰值割线模量随温度(t/℃)的变化，在温度t＝60—700℃范围内，可近似用一直线式方程表示为
2.1.2.4高温下混凝土的变形
(1)自由升降温变形
混凝土在自由状态下升温或降温过程中，其长度将相应地伸长或缩短，体积将膨胀或缩小。混凝土自由膨胀变形εth随温度t的变化。
对高温下混凝土自由膨胀变形εth随温度(t/℃)的变化关系采用如下简化回归公式
混凝土的平均线膨胀系数，按其定义取为εth/(t-20).高温下混凝土的平均膨胀系数可近似取为
(注：l表示混凝土中粗骨料为石灰石；g表示混凝土中粗骨料为花岗岩)
(2)短期高温徐变
混凝土在应力作用下，除了产生即时应变外，还在应力的持续作用下产生随
时间不断地增大应变，后者即为徐变εcr。混凝土的短期徐变随温度一应力持续时间t的变化，约与成正比关系。
(3)瞬态热应变
在升降温过程中，自由试件(σ＝0)的温度(膨胀)变形为εth。对恒载升温试件施加先期应力产生的即时应变为εσ(oo′)，应变在温度升高后为εt(o′b′)曲线，将该曲线平移后就可以得到ob曲线。混凝土的温度应变之间相差比较大是因为应力(σ)的作用，该应变的值叫做瞬态热应变，即
εu(t，σ/fc)＝εth(t)-εt(t，σ)(2.20)
给出了混凝土首次升温时瞬态热应变的计算公式，即
2.1.3高温后混凝土的力学性能
2.1.3.1高温后混凝土的强度
在温度不高于200℃的时候高温后混凝土棱柱体抗压强度变化不大，此后随温度的升高而逐渐降低。文献在试验的基础上，提出了高温后混凝土棱柱体抗压强度的计算公式，即
式中：fc——温度t作用后和常温下混凝土棱柱体抗压强度。
本发明在试验的基础上给出了高温后混凝土弹性模量的计算模型，即
式中：ec——温度t作用后和常温下混凝土的弹性模量(n/mm2)。
2.1.3.2高温后混凝土应力—应变曲线方程
本发明在试验的基础上，建立了高温后混凝土应力—应变关系的计算模型，即
式中：分别为温度t作用后混凝土的棱柱体抗压强度和峰值应变，可按下式计算，即
由公式(2.25)计算得到的高温后混凝土的应力—应变关系，图中为温度t作用后混凝土的应力。
2.2钢筋高温下的热工与力学性能
2.2.1钢(筋)的热工性能
钢材的导热系数(λs)随温度的变化中。其中纯铁的导热系数值最大，钢材的导热系数随着其他杂质的含量逐渐减小。
把常用的普通钢材与混凝土的导热系数做了对比，如下表2.4所示。
表2.4钢材和混凝土热工参数的一般取值范围
由表中数据可知：钢材的导热系数是混凝土导热系数近十倍，出现这种现象的原因是因为钢材是非常好的导体而混凝土是惰性材料。质量热容c是根据材料的质量来定义的，根据定义混凝土的质量热容比钢材的质量热容的大，如果对单位体积来说，钢材的csρs值大概是混凝土的ccρc值的两倍。
2.2.2高温下钢筋的力学性能
2.2.2.1高温下钢筋的强度
(1)极限抗拉强度
文献采用自制的高温下钢筋力学性能试验设备，开展了i级至v级钢筋高温下抗拉强度试验。高温下钢筋极限抗拉强度厂与常温下极限抗拉强度的比值随温度t的变化情况。
依据试验结果，本发明回归得出i级至v级钢筋高温下极限抗拉强度的计算式，即i级至iv级钢
v级钢
(2)屈服强度
i级至v级钢筋屈服强度随温度的变化规律，本发明采用以钢筋高温下与常温下屈服强度实测值的比值给出。
本发明回归得出i级至v级钢筋高温下屈服强度的计算式，即i级至iv级钢
v级钢
i级至v级钢筋的屈服应变随温度的变化不规则，但差别不大。高温下i级至v级钢筋屈服应变可按下式计算，即
式中，钢筋的常温下屈服应变应变比α可采用表2.5中的建议值。
各强度等级钢筋高温下(t≥200℃)极限应变可按下式计算，即
i级钢
ii、iii、iv级钢
v级钢
表2.5高温下(t≥200℃)钢筋的屈服应变及其建议值
2.2.2.2高温下钢筋应力—应变曲线方程
分析高温下i级至v级钢筋，建立了钢筋应力—应变曲线统一的数学模型，高温下(t≥200℃)钢筋的应力—应变曲线方程可分为屈服前的“弹性段”和屈服后的“强化段”，两部分的计算式分别为
式中：
η＝(1.5ξ-0.5ξ3)0.63(2.31)
强化段曲线所取的相对坐标为
高温下钢筋的弹性模量est＝fyt/εyt。公式中高温下钢筋的极限应变(εut)值较大，高温下实际结构构件中钢筋应变很少能够达到，上述计算式可满足结构构件抗火分析的要求。
2.2.2.3高温下钢筋的自由膨胀
为i级至v级钢筋在温度t＝20-800℃的实测自由膨胀变形中，
高温下钢筋的自由膨胀变形εth可按下述的经验回归式计算，即
钢筋的线膨胀系数αs为
2.2.3高温后钢筋的力学性能
文献为考察高温后钢筋的力学性能，砸碎38个火灾后rc梁试件，将其中的钢筋抽出来，然后将这些抽出来的钢筋按照标准尺寸，制作了489个试样，把试件进行高温实验，测量高温后的力学性能。分析钢筋弹性模量、强度等力学性能的变化规律，得出了钢筋在温度变化下的应力一应变曲线，耦合计算曲线方程。
试验概况
试验是从经过不同温度、不同荷载水平作用的38个rc梁板中选取出hpb235级和hrb335级钢筋。砸碎38个经历抗火试验后的rc梁板试件，测定试样的屈服强度、弹性模型、极限强度、断后伸长率和断面收缩率等各项力学性能。钢筋试件的种类见表2.6所示
表2.6高温钢筋拉伸试验中钢筋种类
2.2.3.2高温后钢筋的强度
(1)高温后钢筋屈服强度
试验结果显示非预应力钢筋在经历高温后再被拉的时侯会出现比较明显的屈服，当试样达到塑性变形而力不增加的时候，这是的应力点为钢筋的屈服强度。
试验时钢筋的最高温度用x轴表示，初始应力用y轴表示，实际测量所得高温后及常温下钢筋屈服强度的比值用z轴表示，根据试验数据拟合得到试样在高温后与常温下的x、y、z的关系式如式2.35所示。
式中：η—初始应力水平，η＝σo/fy
σo—钢筋的初始应力(mpa)
—初始水平为η，经历最高温度为t(℃)，钢筋的屈服强度(mpa)
公式的适用范围为0°≤t≤600℃,0≤η≤0.800
高温后非预应力钢筋屈服强度退化规律用式2.34计算，运用matlab计算的simulink仿真中，高温下钢筋屈服强度退化规律曲面所示，高温后非预应力钢筋屈服强度的计算值与实测值比值的平均值标准差σ＝0.078，变异系数δ＝0.078
(2)高温后非预应力钢筋极限强度
将x轴定义为钢筋所经历的最高温度，初始应力水平用y轴定义，实测高温后与常温下钢筋极限强度的比值随所经历的最高温度t用z轴定义、初始应力水平η的变化关系如式2.36所示，
式中—初始应力水平为η，经历最高温度为t(℃)后钢筋的极限度，公式的适应范围为0°≤t≤600℃，0≤n≤0.800
经式2.35计算的试样极限强度在经历高温后的计算值与实测值比值的平均值变异系数δ＝0.047，标准差σ＝0.048。
(3)高温后非预应力钢筋弹性模量
非预应力试样在经历高温后与常温下的弹性模量的比值的计算公式如式2.37所示：
—是经历最高温度为t(℃)后钢筋的弹性模量
es—常温下钢筋的弹性模量，其实测平均值为2.00×105n/mm2。公式的使用范围为0°≤t≤600℃
经式(2.37)计算得到的试样的弹性模量在经历高温后的计算值与实测值比值的平均值变异系数δ＝0.014，标准差σ＝0.014，从中可以看出非预应力钢筋所经历最高温度基本上不会影响其高温后弹性模量。
(4)高温后钢筋断面收缩率
实测高温后非预应力钢筋断面收缩率与所经历最高温后非预应力钢筋面收缩率在53.33％—76.09％之间。
2.2.3.3高温后钢筋应力—应变曲线方程
根据非预应力钢筋在经历高温后应力一应变曲线变化的特点，非预应力钢筋在经历高温后的应力一应变计算模型采用三折线的的方法建立。钢筋的应力与应变的数学表达式如下式(2.38)所示：
σ′s(σ，t)＝e′s(t)ε′s(t)0≤ε′s(t)≤ε′y(t)
σ′s(σ，t)＝f′y(σ，t)ε′y(t)＜ε′s(t)＜ε′sk(t)
式中：σ′s(σ，t)—初始应力为σ经历最高温度为t℃后，非预应力钢筋的应力(n/mm2)；
e′s(t)、ε′s(t)—经历最高温度为t℃后钢筋的弹性模量和应变；
ε′sh(t)—经历最高温度为t℃后钢筋开始强化时的应变；
ε′u(t)—高温后非预应力钢筋破断点应变。
三、下面结合rc梁火灾高温下温度场的计算分析对本发明作进一步描述。
3、rc梁火灾高温下温度场的计算分析
3.1混凝土结构的温度场分析
混凝土是一种惰性材料，高温下混凝土构件内部形成不均匀的温度场。混凝土构件截面温度场分析，是结构抗火性能分析的基础。
iso834(国际化标准组织)推荐的建筑构件抗火试验曲线，其公式为
t＝3451g(8t+1)+t0
式中：
t0—初始环境温度(℃)
t—燃烧tmin时空气的平均温度(℃)
(1)升温段
t＝1325[1-0.324exp(-0.333×10-2t*)-0.204exp(-0.283×10-2t*)-0.472exp(-0.317t*)]
式中：t—室内温度(℃)；
t—火灾持续时间(min)，
τ-开口系数(m2)，
λ-房间材料的导热系数(w·m-1·k-1)；
ρ-房间材料的密度(kg/m3)；
c-房间材料的比热(j·kg-1·k-1)；
td*-名义升温时间限制值(min)，
af-楼板面积(m2)
qf-单位楼板面积的火荷载密度(mj/m2)，
mi-室内可燃材料的质量(kg)
hi-室内可燃材料的热能值(mj/kg)
(2)降温段((t*＞td*))
t＝tmax-10.4(t*-td*)
t＝tmax-4.17(3-td*/60)×(t*-td*)(30min＜td*＜120min)
t＝tmax-4.17(t*-td*)(td*＞120min)
真正发生火灾对建筑构件造成了破坏，当按照iso834标准升温曲线对建筑构件产生相同程度破坏，此时标准升温时间称为等效爆火时间。而一般室内建筑(af＜100m2，并且没有通风口在顶棚)，本发明能够用公式3.1来计算等效爆火时间：
3.1.2热传导方程
“温度场”是指空间各点在某一具体的时间点的温度分布的总体。建筑物构件的表面温度在建筑物发生火灾的时候迅速的增高，表面的热量很快就通过热传导的方式传入建筑物的内部。但是建筑物构件的内部的温度分布是很不均匀的，而且温度场还会随着火灾发生的时间增长而不断的变化，这是因为混凝土材料一般都有热惰性的，这就使得构件内部的温度场成为一个动态的或者说瞬态的温度场。建筑构件原有的温度分布一般是不会随着高温力学反应的进行而发生改变的，原有的温度分布只有在混凝土构件在火灾过程中出现了很大的裂痕的时候才会出现很小范围的温度改变。
对一个建筑构件建立直角坐标系，构件中任一点(x，y，z)都可以看做是坐标系中的一个点，由于一个点很微小所以其内部温度近似均匀，为某个确定的值。设构建中的某点(x，y，z)在t时刻的温度值为t(x，y，z)。由于构件外部高温的作用下，该点的热量交换过程如下所示。首先从x方向进行考虑，设qx和qx+dx分别为单位时间内通过单位面积流入与流出微体的热量，因此由导热系数的定义能够得到如下关系式：
同理，微体从y和z方向获得的热量分别为
qddxdydz(3.7)
微体吸入的总热量为
可建立如下方程，即：
上式即为瞬态热传导方程
通常情况下，对预应力混凝土抗火分析时不考虑混凝土本身发热，可取qd＝0，则上式可简化为：
此式称为稳态热传导方程。
上式可以用于分析任何三维结构的温度场。而本发明可以将楼板和墙等平面的建筑构件简单化为沿其平面方向的一维温度。相应的热传导方程见下表3.1：
表3.1二维和一维传导方程
如果导热系数(λ)取为温度无关的常值，引入
热传导方程可简化为：
式中：d—材料的热扩散率(m2/h或m2/s)，基本热工参数的导出物理量。
3.1.3钢筋混凝土结构温度场的分析方法
3.1.3.1解析法
公式3.14式是热传导方程，它是由傅里叶定律和热力学第一定律推导出的：
式中：t—结构内的瞬态温度(℃)，是x，y，z和t的函数；
(x，y，z)—结构内部的坐标点；
qd—表示材料内部热源的强度(w/m3)；
在实际情况中本发明往往能够对上式进行如下的简化：
用解析法求解结构稳定温度场问题，边界条件和室温温度20℃的初始条件是定解条件，微分方程由热传导方程和定解条件组成：
对于无限大平板，采用拉普拉斯变换的到如下方程，即
式中：y—板内距受火面的距离
erf(x)—高斯误差函数，
α—混凝土的导温系数(m2/s)，α＝1/(ρc)(3.20)
另一种是分离变量法求解热传导方程，即
式中：
—构件表面坐高温度的增量(与初始温度相比)
当表面带有非燃烧性饰面的构件受火时，
计算的面层厚度采用折算厚度，折算厚度d0按混凝土的的厚度折算，即：
式中：
a—混凝土的导温系数(常温)(m2/s)，a＝1/(ρc)(3.23)
a1—面层材料的导温系数(常温)m2/s；
d—材料面层的厚度(mm)
3.1.3.2数值的计算法
温度场的数值计算方法可采用有限差分法，二维导热问题的显式差分方程为：
根据边界条件，可求得所考察对象截面内部温度场的分布应用此差分方程。
上式的泛函为：
这个公式是对流换热的条件，前半部分公式给出室的是一个泛函主体部分(可动边界的)，公式的后半部分描述了让边界变化的约束条件。
常用的单元热导方程，多采用泛函去极值的条件和二点向后差分格式导出。以二点向后差分为例，说明求解的过程，即：
式中：
[k]—温度刚度矩阵；
[n]—非稳态变温矩阵；
{p}—荷载温度列向量；
{t}t—待求温度列向量；
—前一时刻温度列向量；
下式采用了热、湿迁移耦合模型来描述上述热过程，并且将影响单独考虑，即
式中：
u—材料的含水率(kg/kg)；
dt—材料水分热扩散系数(m2·s-1·℃-1)；
dw—水分等温扩散系数(m2/s)；
dwv—材料中水蒸气等温扩散系数(m2/s)；
为简化计算，可在温度场计算中不单独考虑这些影响。
3.1.3.3有限元分析法
在结构抗火分析时，温度场的计算可采用ansys、abaqus、matlab等有限元软件完成。abaqus中的瞬态温度场分析采用有限元-差分混合分析法，差分法采用向后差分格式，利用改进的牛顿迭代法进行计算，程序根据迭代情况自动选择时间增量部以促进收敛。
混凝土构件迎火面的对流系数25w/(m2·k)，背火面为9w/(m2·k)，热辐射通过设置混凝土综合散热系数0.7模拟。混凝土的比热、导热系数和密度可按参考文献取值。混凝土内部钢筋的温度和混凝土。分别对二者施加温度荷载，混凝土的温度即为构件施加预加荷载时的分离钢筋和混凝土。分别对二者施加温度荷载，混凝土的温度即为构件热分析得到的温度，钢筋的温度取为钢筋所在位置处混凝土的温度，该方法可精确地在钢筋上施加温度荷载；混凝土构件内部钢筋的温度亦可读入温度场时，在相邻混凝土节点温度已知的条件下，通过设置容许误差的方法进行线性穿插。
3.2标准火灾升温曲线下构件截面温度场
构件截面有匀质连续的混凝土材料组成。
高温下普通混凝土的导热系数、比热容和密度分别按上式计算。
由于钢筋混凝土梁柱截面和边界条件的对称性，对于梁、柱三面受火情况下，仿真计算温度场只给出了左半截面的温度曲线，曲线的坐标原点在截面的左下角点。
图2-图6给出了三面受火情况下梁或柱的截面温度场。当构件的截面尺寸、受火时间、受火条件等都符合文中所列条件时，可直接查取截面温度场；若不完全相符，可按相近条件查得温度曲线后再进行插值计算。
3.3非线性瞬态温度场的分析
3.3.1rc梁热传导方程
发生火灾的时候，在建筑构件的靠近火苗的一面，火场向构件表面和内部传递热量主要是通过辐射、对流和传导等几种方式。已经有研究显示，构件表面的综合热量传递系数和火场温度以及构件表面温度有很大的关联，并且建筑材料的热工性能参数是温度的函数。综上所述，在发生火灾的时候，建筑构件内部的温度场是一个非线性的瞬态温度场，式3.29所示是该温度场的微分方程，可以看出这是一个非线性抛物线型偏微分热传导方程：
式中：λ—材料的导热系数(w/m·℃)；
ρ—为材料密度(kg/m3)；c为比热(j/kg·℃)；t为温度(℃)；
当建筑物发生火灾的时候，空气中的热量向构件表面传递的过程是通过对流和辐射的方式，而热量从构件表面向构件内部传递主要是通过导热的方式。本发明首先对钢筋混凝土构件在发生火灾的时候做如下假定：
(1)混凝土的材料的性质和方向热传导系数都是相同的；
(2)混凝土构件在长度方向的温度影响必须要被忽略以达到使得问题能够被简单化为二维导热问题而进行求解；
(3)混凝土构件的内部没有生成热量而且混凝土中水分蒸发对结果的影响几乎没有；
(4)在计算截面温度场的时候不计钢筋对结果的影响，所以本发明就能够简化钢筋混凝土梁截面瞬态热传导的基本微分方程：
3.3.2rc梁热传导方程定解条件
边界条件是说明物体边界上传热过程进行的特点，反应过程与周围环境相互作用的条件。本发明在求解热传导方程时，不仅需要确定材料的热工参数，还需要确定构件的初始条件和边界条件，也就是构件的热传导方程的那些定解条件。一般情况下，在火灾发生前，构件所处的环境温度为稳定状态，构件表面温度均匀，而且等于周围环境的温度to。因此，构件的初始条件可表示为下式(3.31)所示：
t(x，y，t)＝t0(3.31)
视根据构件所在的环境、与周围介质的换热条件等不一样可以把边界条件分成如下的四种类型：
已知构件边界(l2)上的热流量(n为法向)是时间t的函数。
与结构相接触的流体介质温度(ta)为已知的时候，通过边界(l3)的热流量为
结构与其他固体物质相接处，已知边界(l4)上的传热条件。
迎火面周围流体温度和流体之间的对流系数已知，其边界热流平衡方程也可写为：
式中t—表示的是瞬态温度(边界内)(℃)
α—表示结构构件之间与火焰热流体的换热系数(w/m-2·c)
n—边界的外法线方向；
t|s—表示的是构件表面的温度(℃)；
te—境流体温度(℃)；
α的意义是综合换热系数，取值如下表3.2所示
表3.2综合换热系数α
当建筑发生火灾的时候，建筑构件在火灾这种高温的条件下的受火表面的边界条件是第二类边界条件，但是没有遇到火的一面则可以看着是第一类边界条件。但是这也不会是绝对的，因为当建筑构件的边界温度随着表面的温度升高而变得和火场的温度差不多的时侯，这个时候就能够把构件受火面边界条件看作是第一类边界条件。
钢筋混凝土构件在火灾环境或高温条件下，在瞬态温度场中分析钢筋混凝土结构时，建筑构件的热工参数会随着环境的温度改变而不同，这就使得本发明要很难求解非线性的抛物线型的热传导方程，因为此时同样变得很复杂的还有边界。所以利用电脑加上数值分析方法来求解就非常有用了。
四、下面结合rc梁火灾下非线性有限元分析对本发明作进一步描述。
4、rc梁火灾下非线性有限元分析
4.1引言
最近几年以来，很多国内外的学者在模拟和预测结构构件的防火性能方面做了很多研究，特别是对数值方法的应用。其中值得一提的是，由于具有计算精度高和可以适应不同的复杂形状的特点，有限元方法成为了一种分析研究建筑构件防火特性的全过程仿真的重要方法。本节通过在rc梁构件涂上防火涂料，然后在构件的三个面同时均匀受火的情况下采用matlab进行编程，对构件内部的变形过程与传热过程进行模拟，通过分析构件内部温度场的变化，计算梁火灾后的剩余承载，研究构件在高温火灾下和火灾后的变化。
4.2材料的非线性本构模型
在高温火灾作用下，钢筋混凝土构件的力学性能参数会发生改变，主要分析的参数是热膨胀系数α、材料的抗压强度、弹性模量e、和应力应变关系等，本发明采用以下公式对钢筋混凝土梁在变形进行热分析和结构分析：
α＝(0.008t+6)×10-60≤t≤600℃(4.1)
α＝0t≥600℃(4.2)
fc(t)＝fc0≤t≤400℃(4.3)
fc(t)＝(1.6-0.0015t)fc(4.4)
400℃＜t≤800℃(4.5)
ec(t)＝(1.00-1.5×10-3).e
0＜t≤200℃(4.6)
ec(t)＝(0.87-0.82×10-3)·e
200℃＜t≤700℃(4.7)
ec(t)＝0.28ec
700＜t≤800℃(4.8)
式中：fc(t)-表示混凝土的抗压强度(高温下)；
ec(t)-表示混凝土的弹性模量(高温下)；
fc-表示混凝土的抗压强度(常温下)；
ec-表示混凝土的弹性模量(常温下)；
高温火灾下混凝土的应力-应变关系，表达如下：
当0＜ε≤ε0(t)时，
0＜t≤400℃(4.9a)
400＜t≤800℃(4.9b)
当ε0(t)＜ε时
400℃＜t≤800℃(4.10b)
4.3rc梁的结构模型
材料选择：
c40混凝土；iv级钢筋；长、宽和高分别为7m、0.3m和0.5m的钢筋混凝土梁；6φ20的纵向受力筋；20φ10的钢箍(钢箍左右对称布置10个，箍间距0.2m)。
当建筑物发生火灾时，荷载对构件的影响作用与火灾的发展程度是分析的重点之一；燃烧时间、控制变量燃烧时间、初始载荷及配筋率这三个控制变量是另一个分析的重点；另外对比了火灾发生的时候，钢筋混凝土梁的发展过程。具体的设计情况如表4.1所示。
表4.1rc梁设计条件
4.4rc梁的非线性性能分析
对在三面受火时标准升温曲线下加热的钢筋混凝土梁的应力、温度场分布、应变随着加热的程度不同的变化使用三维非线性有限元的方法进行动态分析，然后再计算钢筋混凝土梁在发生火灾之后的剩余承载力。计算步骤如下：第一步，基于matlab得出截面的温度场分布；第二步，确定计算模型的温度场，分析计算构件的应力和结构变形，值得注意的是它们会随着受火的时间长久而发生改变。第三步，计算材料的力学性能，同样因为他的值受温度影响比较大，所以应该在计算程序中不同的时间点不断对材料的应力应变进行调整；第四步，将初始载荷删除，通过降温到室温，再慢慢将此加载直到钢筋混凝土梁被损坏来计算钢筋混凝土梁在火灾发生后的剩余承载力，这里需要注意的是，降温必须按国际标准升温曲线的降温段进行降温。
4.4.1rc梁温度场的有限元分析
当发生火灾时，温度急剧上升，钢筋混凝土梁温度变化的过程为：首先，热量以空气对流的和热辐射的方式从着火的地方向建筑物构件表面扩散；然后，热量以热传导的方式从建筑物构件的表面向里面扩散。现做如下假设，火灾发生的开始阶段，钢筋混凝土梁构件内部的温度和外界环境的温度均为二十摄氏度，构件的三个面受火程度一样，三个受火面的边界条件选定为国际标准升温曲线iso835(式4.16、式4.17)，背火的最上面和构件的两端的边界条件选定为绝热边界条件。
忽略混凝土本身的发热，内部导热微分方程如下：
边界条件：
x＝0和x＝l时，
z＝h时，
式中：tf为构件外部的流体的温度，根据国际标准升温曲线进行取值；
h-火灾发生时空气和建筑构件之间的综合换热系数，参考表4.2中的数据，拟合成如下方程：
h(t)＝1×10-7gtg(t)3+2×10-5gt(t)2-4×10-3gtg(t)+13.5(4.14)
式中：
tg(t)-室内平均空气温度(对应于t时刻)，℃
h(t)-综合换热系数(对应于t时刻)，w/(m2g℃)-1
以下为iso835国际标准升温曲线的计算公式为：
(1)当升温段时：
tg(t)-tg(0)＝3451g(0.133t+1)(4.15)
(2)当降温段时：
tg(t)＝th-0.069(t-7200)(4.16)
式中：
tg(0)—火灾发生前的房间里的平均空气温度，取20℃；
tk—加热7200s后的最高温度，℃
表4.2火灾下综合热换系数
在建筑物发生火灾的时候，混凝土内部的温度梯度非常大，这主要是因为在混凝土的表面的温度升高的很快，所以为了达到提高计算准确度的目的，基于matlab下的simulink对梁进行分析的时候使用长，宽，高分别为0.05m，0.05m，0.025m的尺寸网格。
本发明能够得出，当建筑构件的三个受火面的受火程度是一样的时候，构件表面的热量是一层一层从表面向内部扩散的而使得横截面温度状态是呈左右对称分布的。当火灾进行了7200s了之后，构件内部中心的温度状态是呈均匀分布的并且中心仅仅升高了大概200℃。由此本发明能够得出，建筑物外层的混凝土可以很好地保护构件内部不为火灾的破坏。纵向受力筋的分布位置对温度场有一定的影响作用，并且混凝土的比热容与密度乘积大概是钢筋的1/2，所以综上述两点，纵向受力筋的分布位置和它的四周温度场发生一定的下降的现象而使得外凹向弯曲就是因为单位体积吸热量过大的原因。
当发生火灾的时候，建筑物构件梁中横截面的高度中心线上的温度在构件三面受火时随时间的变化规律中，构件梁底部的温度在3600s的时候达到700℃，之所以温度升高的如此之快是因为火源对构件的强烈的辐射。混凝土的为梁提供了温升缓冲，从构件梁的底部到大概的0.1m的位置出现温度上升而在0.15m高度之后后温度在高度的方向基本稳定了，这主要是因为混凝土的作用，因为混凝土有热惰性的特点，就可以为构件梁的升温缓冲。从图中本发明可以看出，温度场的分布是波纹状的，这主要是因为箍筋的布置的原因引起的。当箍筋及其四周温度下降时，由于混凝土的导热系数比钢筋小的多，而且钢筋具有较强单位体积蓄热能力，因此梁里配有箍筋的位置及箍筋的周围温度下降的慢，对比同一平面位置，没有配置箍筋的地方降温要比配置了箍筋的快20℃到25℃。
4.4.2对rc梁结构分析
模型：采用分离式；
材料：c40混凝土；iv级钢筋；长、宽、高分别为7m、0.3m、0.5m的钢筋混凝土梁；6φ20的纵向受力筋；20φ10的钢箍(钢箍左右对称布置10个，箍间距0.2m)，防火涂料。
假设：钢筋和混凝土之间具有良好的粘结性能；
滑移现象对结构的影响不考虑；
梁表面涂刷防火涂料；
为了确保力的传递和位移的协调性能，采用钢筋单元和混凝土单元共同使用一个结点的方式。
l1、l2、l3、l4表示的是在火灾情况下的建筑构件梁，l0表示的是常温情况下的建筑构件梁，由于钢筋混凝土梁自重的作用，初始变形值为0.004m。当建筑物发生火灾后，四种不同配置的梁都因为火灾的原因钢筋和混凝土材料强度和弹性模量等力学性能被破坏而发生了很大程度的纵向位移；l1和l3的跨中位移分别为0.033m，0.034m，时几个之中发生位移最大的两个梁，从这个现象本发明就可以得出构件的防火承载力受配筋率、受火时间和初始载荷的影响很大的结论。
钢筋混凝土梁在高温火灾作用下，梁的变形主要是弯曲变形和侧向变形，分析梁l1和l2和左侧面的位移，本发明能够得出在火灾的情况下，混凝土梁的侧向变形是分为三个过程发生的。初始阶段是膨胀阶段，这个阶段主要是混凝土材料因为火灾的原因而温度的快速升高而产生的膨胀，而且膨胀的程度会随着时间的推移而不断增加。中间阶段是恢复阶段，在这个阶段膨胀开始出现减弱的趋势，这主要是因为混凝土梁骨料中结晶体的结构发生变化、内部损伤积累所致，另外，与此同时本发明可以看出梁外侧面温度达到了650℃；还有就是，混凝土的强度由于火灾的高温影响而慢慢降低，使得梁由于自身重量和荷载不断加大，梁的主要变形为向下弯曲，侧向也发生一定的变形，当两个方向的变形一起作用时，梁的侧向的变形能力减弱。变形继续发生，梁变形的最后阶段为破坏阶段，混凝土因为靠近火焰而使得强度急剧下降，最终的结果就是混凝土梁又一次发生膨胀到到最后整体失稳而被破坏。
图9和10显示的是钢筋混凝土梁防火承载力分别为受荷载以及钢筋数量的影响结果。从图9中能够得出，在钢筋均为六根的情况下，材料变形以及内部损伤程度和速度随着初始载荷的增大而增大，但是混凝土梁的跨中位移和初始载荷并不是正比关系，这是因为材料高温应力应变具有非线性的特点。结合图10可以看出，在初始载荷为100kn的情况下，火灾过程中布置四根钢筋的梁的跨中变形随时间增加的速度很快，仅仅两个小时后就为六根钢筋布置梁在同样条件下的两倍。由此可以看出，混凝土的防火承载力受钢筋数量的影响比较显著。
4.4.3剩余承载力分析
本发明能够通过以下方法得到钢筋混凝土梁的剩余承载力。首先对钢筋混凝土梁进行降温曲线降温(按照iso835曲线)，再使用增量法一步一步地进行加载，使用newton-raphson迭代法对各个增量步内进行求解，一直计算使结果满足收敛标准。
4.4.3.1升降温处理
实验采用温度控制系统，对钢筋混凝土梁进行程序升温，预定升温时间为200min，梁不受力，三面受火放置在实验室的火灾炉内，当达到预定的温度时，让梁自然冷却。通过温度程序控制和热电偶的测量，梁的实际升温曲线与标准升温曲线(iso834标准升温曲线)非常接近，如图11所示。
4.4.3.2梁应变分析
图8、图12为钢筋混凝土梁表面的应变分布图，从图中可以看出，当荷载小于90％的极限荷载时，当荷载小于90％的极限荷载时，应变呈大致呈直线分布(沿梁高度方向)；当极限荷载超过90％时，梁的荷载区域开裂，且混凝土和钢筋之间会有滑移现象，这些影响会使梁的应力分布偏离直线状态。
4.4.3.3载荷-挠度曲线
各个钢筋混凝土梁在不同的载荷作用下的荷载一挠度曲线图，如图13所示。本发明可以得出，在高温火灾后，当梁的其他条件相同时，梁的挠度随对其施的荷载增大而增大，表明火灾作用后，梁的刚度下降，出现明显的软化现象。
4.4.3.4剩余承载力
表4.3所示的是钢筋混凝土梁在不同条件下经受火灾的高温后的剩余承载力和钢筋混凝土梁在常温下的极限承载力。从表4.3中本发明能够得出：混凝土梁在经历火灾的高温后其剩余承载力均出现了不同程度的下降，这主要是因为钢筋和混凝土材料在火灾等高温的情况下物理力学性能会发生破坏的原因。
表4.3不同条件下火灾后剩余承载力
注：p0—表示钢筋混凝土的极限承载力(常温下)
pt—表示钢筋混凝土的剩余承载力(火灾后)
l2梁有六根直径为φ10mm的钢筋，其剩余承载力在发生火灾后是265kn，而含有四根同样钢筋的l3梁剩余承载力在发生火灾后只有150kn，这进一步说明了混凝土的防火承载力受钢筋数量的影响比较显著。初始载荷为100kn的l2梁的火灾后的剩余承载力只比初始载荷为200kn的l1梁大3.7％，所以可以初始载荷对梁剩余承载力的影响相对较小可以忽略不计。
为了更加直观的描述本发明模型的仿真精度，选用钢筋混凝土梁l2在不同条件下经受火灾的高温后的剩余承载力的仿真值和实验值的绝对误差。
从图中本发明能够得出：本发明仿真数据与实验数据的绝对误差基本控制在10％以内，模型计算值显然比实验值偏大，表明本发明的模型的仿真精度能够较为精确的描述钢筋混凝土梁受火的实际情况，可以在施工前对梁的耐火程度进行预测，提高钢筋混凝土梁的耐火安全性。
五，下面结合防火涂料对混凝土的防火保护作用分析对本发明作进一步描述。
5、防火涂料对混凝土的防火保护作用分析
5.1
在高温火灾下，混凝土会爆裂，钢材的材料强度显著降低，钢筋混凝土结构的材料强度和力学性能会发生很大的变化，变形明显增大，而且结构构件体积膨胀、截面的温度分布不均匀使截面产生自平衡温度应力和构件弯曲变形，使结构体系破坏，在混凝土表面涂防火涂料，能够有效的抑制高温爆裂，对钢筋混凝土结构的在高温下起到良好的防火保护效果。
5.2防火涂料的分类
5.2.1结构防火的主要方法
钢筋混凝土结构如果没有任何防护，在高温火灾下结构表面的温度会迅速升高，而钢筋混凝土结构承载力也迅速下降，构件在火灾中可能很快破坏。为了保证结构的安全性，减少火灾对结构造成的损失，使建筑体系在高温火灾中不会部分或者整体倒塌破坏，造成人员的伤害和经济的损失，必须想办法提高结构的耐火极限，因此常对结构进行一定的防火保护。
5.2.2防火涂料的分类
常用的防火涂料，根据高温下涂层的变化不同，常分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料两种。
在遇到火以后，自身会发泡而膨胀的是膨胀型防火涂料。该防火涂料膨胀以后会比原厚度增加十几倍到数十倍，并且形成多空碳质层，如同形成了一道绝热屏障，有效的阻挡外部热源对基材的传热，对应的耐火极限为0.5h～1.5h以上。膨胀型防火涂料涂层的厚度常为3～7mm，因此又称为薄型防火涂料。
非膨胀型防火涂料，遇火后不发生膨胀，涂料本身具有良好的隔热性，对应的耐火极限较高，可以达到0.5h～3h以上。非膨胀型防火涂料其涂层厚度从8mm～50mm，称为厚型防火涂料，其厚度大大超过薄型的防火涂料。
按照性能特征的不同，防火涂料进行以下分类,如表5.1：
表5.1防火涂料性能特征
5.3实验情况简介
5.3.1实验的目的
对涂有膨胀型防火涂料的c25混凝土试块进行了高温试验，然后将实验结果与没有涂防火材料的c25进行比较，分析研究了表面设置膨胀型防火涂料在发生火灾时，对混凝土结构的保护作用。
5.3.2实验设备及实验原理
本实验采用sqw-a材料高温强度试验仪。
sqw-a材料高温强度试验仪主要用于无机金属材料、各种混合料高温性能的测量，可以在20℃到1400℃温度范围内完成以下实验：试样在高温下的热膨胀、热膨胀力、抗压强度、试样在固定荷载下的残留强度、热变形、常温下的抗压强度。
sqw-a材料高温强度试验仪主要用于测定在常温下和高温下无机金属材料的的综合性能。材料高温强度试验仪采用了较先进的电脑技术和智能仪表技术，这样不仅可以做到实时实地地检控不同的试样各项参数，还可以非常真实有效地，稳定、快速、可靠实现反映实验过程中各个参数的变化；另外能根据使用人的现场实际工艺要求对试样的加热设定程序控制而达到匀速地加热，并且可以进行pid调节等。试样被放在加热炉中的上、下试验立柱之间的50×50毫米的a圆柱体中，在实验过程中，荷重传感器及电感位移计采集加载在试样上的载荷和试样产生的变形量，并且将采集值转换成电信号输入到电脑，电脑会对这些输入的数据进行处理和存储，最后还能够得到有关实验结果的实验报告。
传感器支架、按钮板、位移传感器、冷却器、座箱、原件板、罩子、加载机构、加热炉和荷载器等部件组成了该仪器的整体部分两根直径为50毫米的空心钢管组成了仪器的主体部分；两根立柱上固定着加热炉，两个平衡被放置在座箱内而且通过二组固定滑轮和加热炉使用钢丝穿过空心柱相互连通；如果想要非常容易地带动炉子沿着立柱上下移动可以提动炉子上的两个手球；在箱座里面的一个直流电机上固定着，并且该加载机构通过弹性连轴器和减速箱里面的二级涡轮杆的带动而上下移动，最后通过荷载传感器把荷载加在试样上，这个载荷传感器是固定在传感器支座上的，然后调整可控硅调速器，能够让电动机在240－2400r/min的转速范围内转动，而达到使加荷的移动速度可以在相对广泛的范围内进行变动。
在高温炉的下方设置一个冷却器可以防止高温炉辐射和导热对荷重传感器和电感位移计产生影响，在进行高温试验时，冷却器通过自来水进行循环冷却，使之底部传感器周围介质温度不大于40℃。冷却器中心孔内设置一根支承下试柱等另部件的导向轴，向试样施加荷载及试样产生热变形时，均通过该轴把荷载变形量分别传送到荷重传感器和电感位移计的铁心上，为了消除该轴及其承托的另部件的重量对测量荷载的影响以及试样尽量接近于无妨碍膨胀的要求，用两个重砣通过两个滑轮进行平衡，这样，在向试样上加载或产生热变形时导向轴可以比较自由的沿中心孔上下移动，只需克服相对运动部分的摩擦力，在试验操作时调节微调螺钉，可以到达调整电感位移计零点的目的。
荷重传感器被固定在传感器支架的转盘上，微型计算机智能仪表控制着该仪器的控制及测量部分。其中热电偶1lb负责测定变形量测量及控制系统，温度测量及自动控制系统，自动记录系统，机载荷测量及控制系统和炉膛内的温度，仪器将自动测量的热电势信号，并且将数据输入智能温控仪表，具体的数值在转换到计算机里面的进行显示。该设备还可以通过软件设置，进行程序升温，从键盘自动控制温度的恒温器设置和自动调温器的时间值的任何输入，双定位不同的pid算法控制参数，为了以实现温度按照炉温度控制的关闭时间的scr上所占的比例，根据要求的过程。通过控制和测量位移，设备hel将测得的位移，显示为直流毫伏信号读数，并转换成数字化智能仪表通过rs485信号输出电脑的屏幕上，该计算机将收集修正，以消除的量变形的测试列印输出电流失真样品在相同的时间，在给定的计算机可以自动地控制变形测试电动机反转，以固定的量的变形模型，控制给定的系统由计算机自动。负荷测量和控制系统，使用1lb(2000公斤)的静荷载的传感器，对试件进行测量，在给定的测试压力，所需的压力值由输入键盘，计算机可以自动转动控制电机样本力在此压力控制。机械的控制系统，装载机构驱动的d直流，调整可控硅kzt调速电机无级调速控制，改变的速度运动螺杆装载机构电机逆转的方向改变中里德接通时，引擎之前被接通电机反向运行，电机停转。
5.4实验试块的制备
5.4.1混凝土试块的制备
混凝土采用强度为c25的配合比(如表5.1所示)，试验水泥采用普通硅酸盐水泥，细骨料采用细度模数为2.3的天然砂，而粗骨料采用最大粒径15mm的碎石。
表5.2混凝土试块的配合比(单位：kg/m3)
制作φ30×50mm圆柱体试样，制备好混凝土试块之后，置于常温下养护28天。
5.4.2防火涂料的配方与主要性能
从表5.3可以看出各种不同的试块表面涂有膨胀型混凝土防火涂料的基本组成与主要性能。
表5.3涂料的配方与主要性能
5.5实验方法
该试验采用在混凝土试块表面涂上一层防火涂料，然后分别使用sqw一a材料高温强度试验仪测试涂有防火涂料和未涂防火涂料在常温下和高温作用下抗压强度和破坏荷载，并进行对比。
第一步，把电源关掉，然后检查sqw—a材料高温强度试验仪的各个部件是否可以工作，因为只有当仪器的各个部件可以正常工作时仪器才可以进行高温试验。
第二步，将块状试样放置在试验仪的固定位置，这样就可以使得试样的各个表面加热均匀进行。
抗压强度在常温下的试验步骤如下：
(2)接下来进入电脑操作程序，点击程序的“绘制坐标轴”按钮，绘制坐标；
(3)最后把试样放入仪器后按试验开始键开始试验，试验将在试样被压断自动停止，此时的压力即为试样能承受的最大压力，重复试验十次后分析十次的数据。
高温抗压强度试验可以按照如下步骤进行：高温抗压强度试验与常温抗压试验步骤基本一致，只不过高温实验时通过调节电流，该实验须在温度恒定下开展，
通过调节电流把仪器设置到600℃，并且使之恒温1h。
5.6结果分析
试验结果显示将试样在600℃恒温加热1h后，试样的抗压强度大幅地降低并同时伴有爆裂和剥落等现象发生。造成这种现象的原因是在高温的条件下混凝土的结构会被不断破坏，其一混凝土结构的温度场发生变化，内部温度由开始的均匀分布变得不均匀分布，其二混凝土结构的内力发生变化，变形状态也发生了改变。涂有防火涂料的混凝土在600℃恒温1h后，抗压强度和破坏荷载显然要比未涂防火涂料的混凝土高，甚至可以和与常温下的混凝土试块抗压强度媲美，这很好地表明这种混凝土防火涂料在发生火灾时可以很好地保护混凝土而使得建筑不至于倒塌造成更大的损失。这种防火涂料的防护原理是防火涂料遇高温后会产生大量的泡沫而发生膨胀，这些泡沫层可以在混凝土表面
这些泡沫层形成的多孔炭质层覆盖于混凝土表面，这些多孔炭质层的厚度增大了几倍，能够较好的起到阻挡作用，使外部热源减少对混凝土基材的传递；而且该防火涂料在产生泡沫而发生物理膨胀的过程中会吸收一部分热量而使得该涂料可以在很长的一段时间内都拥有高效的隔热性，从而更好地保护基材不受火灾的破坏。
表5.4防火涂料对混凝土的防火保护作用
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。