高温下及高温后钢筋混凝土材料力学性能
研究综述#
宋玉普1，刘桂荣2*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(200801410005)
作者简介：宋玉普(1944－)，男，教授，博导，主要研究方向：混凝土和预应力混凝土结构理论. E-mail:
syupu@dlut.edu.cn
5 （1. 大连理工大学土木水利学院，辽宁 大连 116024；
2. 华北水利水电学院土木与交通学院，郑州 450011）
摘要：钢筋混凝土材料的高温力学性能是研究钢筋混凝土结构火灾下及火灾后力学性能的基
础，对于结构在火灾下和火灾后的安全性能具有重要研究意义。本文通过对国内外钢筋混凝
土材料高温性能研究结果的整理和分析，就高温下及高温冷却后混凝土、钢筋的力学性能，
10 钢筋与混凝土的粘结性能进行了概括总结，并分析了存在的问题，为进一步研究钢筋混凝土
材料的高温性能提供参考。
关键词：钢筋; 混凝土; 高温; 火灾
 0 引言
30 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。根据联合国“世界
火灾统计中心”(WFSC)2000 年的统计资料，近几年来，世界上每年发生火灾600 万～700 万
起，每年有6.5～7.5 万人死于火灾，大部分国家的火灾经济损失都占国内生产总值的0.2%
以上[1-2]。在各类火灾中，建筑火灾发生次数最多，损失最严重[3]。因而，对建筑结构抗火
性能研究也应成为当前迫切需要解决的问题。
35 众所周知，混凝土材料以其在性能、施工、经济等方面的优点，而成为当代土木工程应
用最广泛的材料之一，并且在今后，混凝土材料仍是最主要的建筑材料[4]。在我国，钢筋混
凝土结构是目前乃至今后相当长时间以内建筑结构的主要型式。因而，对钢筋混凝土结构的
高温性能研究具有重要实用价值。混凝土及钢筋材料的高温性能研究是钢筋混凝土结构高温
性能研究的基础，它主要包括以下两个方面：火灾高温下的性能研究和火灾高温后的残余性
 40 能研究。
本文简要总结了近年来混凝土及钢筋材料的高温性能研究的主要进展，并指出了有待深
入研究的问题。
1 高温下混凝土及钢筋材料力学性能
1.1 高温下混凝土的力学性能
45 高温下混凝土的力学性能总体上呈现随着温度升高而劣化的趋势——随着温度的升高，
混凝土的强度以及弹性模量逐渐降低，峰值应变逐渐增大。
抗压强度是高温下混凝土力学性能中最重要最基本的一项，国内外对混凝土高温下的抗
压强度进行了大量研究。目前，对于高温下混凝土抗压强度的研究，比较一致的结论有：
高温下普通混凝土抗压强度随温度变化的规律，按照强度损失的特点可以划分为三个阶
50 段[5-7]——强度的初始损失阶段、强度的恢复阶段及强度的永久损失阶段。如图1 所示，当
温度小于100℃时，混凝土抗压强度略有下降；当温度达到100℃~400℃时，混凝土抗压强
度出现反弹，大于常温下的抗压强度；当温度大于400℃以后，混凝土抗压强度显著下降。
而高温下高强混凝土抗压强度在200℃时开始下降；400℃以后，抗压强度明显下降，下降
规律与普通混凝土基本一致，但降低幅度更大[8-10]。
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 200 400 600 800
文献[5]-NSC
文献[10]-HSC
55
图1 高温下混凝土抗压强度
Fig. 1 Compressive strength of concrete under high temperature
另外，温度-应力途径对高温下混凝土抗压强度影响显著：相同温度下，恒温加载途径
60 下，混凝土抗压强度最低；而恒载升温途径下，其抗压强度最高。且600℃～800℃时，混
凝土强度最大值与最小值相差最大[11-13]。
高温下混凝土抗拉强度随着温度的升高基本呈线性降低趋势，其降低的幅度大于抗压强
度[6,14]。文献[6]根据高温下混凝土立方体试件的劈裂试验结果，建议混凝土高温下抗拉强度
按照下式计算： ( ) tT t f = 1− 0.001T f ，其中tT f 、t f 分别为高温和常温下混凝土的抗拉强度。
65 高温下混凝土的弹性模量随着温度的升高逐渐降低，其降低幅度大于混凝土抗压强度。
大多数文献采用线性模型来描述混凝土弹性模量随温度变化的规律，如表1 所示。
70
T/℃
fc
T/fc
 75 表1 高温下混凝土弹性模量
Tab. 1 Elastic modulus of concrete at high temperature
出处 弹性模量
文献[5]
⎪⎩
⎪⎨
⎧
=
= −
= −
/ 0.25
/ 0.92 0.000923
/ 1.00 0.00175
0 0
0 0
0 0
E E
E E T
E E T
T
T
T
℃ ℃
℃ ℃
℃
700 800
200 700
200
< ≤
< ≤
≤
T
T
T
文献[6] T
E
E
E
E
P
TP
T
0.83 0.0011
0
0 = = − 60℃≤ T ≤ 700℃
注：ET0 ——高温下混凝土的初始弹性模量(0.4 倍峰值应变对应割线模量)； 0 E ——常温下混凝土的初始弹
性模量； T
P E ——高温下混凝土的峰值割线模量； P E ——常温下混凝土的峰值割线模量。
80 对高温下混凝土单轴压应力-应变关系试验研究表明：随着温度的提高，混凝土峰值应
力逐渐减小，但峰值应变却逐渐增长，其应力-应变曲线趋于扁平。将高温下实测混凝土应
力-应变曲线变换为相对峰值应力和相对峰值应变为1 的标准曲线，发现混凝土在不同温度
下的标准曲线比较接近，可以采用常温下混凝土应力-应变曲线的同一方程来表示高温下混
凝土的应力-应变关系[6]。各文献建议了多种不同的形式，如表2 所示。
85
表2 高温下混凝土单轴应力-应变关系
Tab. 2 Stress-stain relationship for concrete at high temperature
出处 应力-应变关系 备注
文献[6]
( ) ⎪⎩
⎪⎨
⎧
− +
=
= − +
x x
y x
y x x x
2
2 3
0.8 1
2.2 1.4 0.2
1
1
>
≤
x
x
T
c y =σ / f x T0 = ε /ε
1+ 2.4( − 20)6 ×10−17
=
T
f T fc
c
[ ( 2 ) 6 ]
0 0 ε T =ε 1+ 1500 + 5T ×10−
文献[10] 2
 c f —高温下混凝土的抗压强度； T
0 ε —高温下混凝土的峰值应变； c f —常温下混凝土的抗压强度； 0 ε
—常温下混凝土的峰值应变。
90
实际建筑结构遭受火灾作用时，都承受一定的荷载作用。对于恒载升温途径下的混凝
土，其高温下应变主要由四部分组成：自由热膨胀应变、瞬态热应变、应力引起的应变及短
期高温徐变。其中瞬态热应变是在压应力作用下、升温瞬间产生的，在降温时不可恢复。其
数值远大于短期高温徐变和应力引起的应变，成为混凝土高温的主要变形部分[16-17]。混凝土
95 的瞬态热应变随温度呈非线性增长，且初始应力水平越高，瞬态热应变增长越快，在相同的
应力水平下，高强混凝土的瞬态热应变低于普通混凝土[18]。瞬态热应变的存在，使得混凝
土在高温下产生应力松弛或应力重分布，因此在混凝土结构高温受力分析中必须加以考虑。
对于火灾下承受轴压力的混凝土构件，如忽略混凝土瞬态热应变，导致计算偏于不安全[19]。
1.2 高温下钢筋的力学性能
100 高温下钢筋力学性能随着温度升高而逐渐劣化。国内外学者对不同种类的钢筋高温下的
 抗拉强度、弹性模量及变形等力学性能进行了大量试验研究。试验结果表明，恒温加载途径
下，钢筋极限抗拉强度随着温度的增加不断下降，但是，随着温度增加，钢筋屈服点消失[17,20]，
文献[17]在对比各种确定屈服点方法的基础上，从屈服点的物理概念出发，提出了将变形增
长率突然增大的转折点作为屈服点的定值标准，并给出了高温下钢筋屈服强度的计算公式。
105 文献[20-21]研究了温度-应力途径对高温下钢筋极限强度的影响：对于Ⅰ～Ⅳ级钢，当
温度小于550℃时，恒温加载途径的抗火能力明显高于恒载升温途径。
高温下钢筋的弹性模量变化趋势与极限强度相似，即随着温度升高而逐渐降低，但弹性
模量的降低幅度更大。文献[5,22]采用二折线方程描述了高温下钢筋弹性模量和温度的关系。
对高温下钢筋应力-应变曲线的研究发现：当温度小于200℃时，应力-应变曲线具有明
110 显屈服台阶；300℃以后，钢筋的屈服台阶消失。因而，文献[17,22]建议以200℃为界，当
温度小于200℃时，采用理想弹塑性模型描述高温下钢筋的应力-应变关系；当温度大于
200℃后，采用强化弹塑性模型述高温下钢筋的应力-应变关系。
1.3 高温下钢筋与混凝土粘结性能
钢筋和混凝土之间的粘结性能是两者共同工作的基础。对高温下钢筋和混凝土粘结强度
115 的研究表明，随着温度升高，钢筋和混凝土极限粘结强度呈下降趋势，而达到极限粘结强度
时的极限滑移却不断增加[22-24]。但是，不同钢筋高温下粘结强度变化规律不同：如图2 所示，
螺纹钢筋在温度低于300℃，光圆钢筋在温度低于200℃时，粘结强度比常温下略高；螺纹
钢筋在温度大于600℃，光圆钢筋在温度大于400℃时，粘结强度急剧下降，且光圆钢筋粘
结强度的下降幅度明显大于螺纹钢筋[24]。朱伯龙等[22]运用最小二乘法对高温下光圆钢筋和
120 螺纹钢筋的粘结强度和极限滑移量随温度的变化进行了线性回归，并给出了理论计算的线性
模式。
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 200 400 600 800
螺纹钢筋
光圆钢筋
图2 高温下钢筋与混凝土的粘结强度
Fig. 2 Bonding strength between concrete and steel bars at high temperature
125
2 高温后混凝土及钢筋材料力学性能
2.1 高温后混凝土的力学性能
由于高温后的降温过程中，形成了反向温度梯度，混凝土的力学性能总体上呈进一步恶
化的趋势。
130 研究表明，高温后混凝土的抗压强度比高温时普遍要低[25-26]。高温后混凝土抗压强度随
着温度的增加逐渐降低(200 度以前，降低不明显，之后明显降低)，且与受火温度、恒温时
间、冷却方式、冷却后所处的环境及静置时间有关[27]：受火温度越高，恒温时间越长，高
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