混凝土及預應力混凝土結構抗火研究現狀與展望

郭康寧

【摘 要】 本文主要介紹了混凝土與預應力混凝土結構的抗火性能、預應力混凝土結構火災研究的現狀、預應力混凝土結構火災研究有待進一步開展的工作等內容。

【關鍵詞】 混凝土 預應力混凝土 抗火性能

引 言

混凝土及預應力混凝土的研究，經歷了由構件到體系，由靜力到動力，由一般作用到極端作用的多個階段.火災對混凝土及預應力混凝土結構影響研究，成為近年來土木工程行業研究熱點之一。

1混凝土與預應力混凝土的抗火性能

下文主要通過一些學者的試驗來說明混凝土結構、預應力混凝土結構的抗火性能。

1.1混凝土結構抗火性能。過鎮海等完成了5榀單層單跨鋼筋混凝土框架三面受火試驗，實測了火災下框架梁、柱變形和框架柱內力，結果表明：混凝土框架火災下發生明顯的內力重分布；基于平截面假定，給出了混凝土、鋼筋熱-力偶合本構關系，推導了適用于任意溫度-荷載路徑的平衡方程，編 制了桿系有限元析程序NARCSLT。陸洲導等完成了5榀單層雙跨混凝土框架在600℃、800 ℃單跨受火、雙跨受火試驗，編制了火災下框架受力性能的非線性分析程序。經不同學者多次試驗研究表明，荷載水平、截面尺寸、保護層厚度、配筋型式及約束條件、混凝土強度、混凝土爆裂等均影響混凝土結構抗火性能。

1.2預應力混凝土抗火性能。Herberghen等完成了8塊兩端伸臂無粘結預應力混凝土板抗火性能試驗，發現火災下預應力板混凝土爆裂，配置縱橫向非預應力鋼筋的板爆裂程度小于全預應力板，提出了增配支座負彎矩鋼筋的建議。袁愛民等完成了4塊無粘結預應力混凝土簡支板抗火性能試驗，結果表明：保護層厚度越大，板耐火極限越長，預應力度（0.4～0.6）對板的耐火極限影響不明顯。總之，以往抗火試驗多基于標準升溫曲線，但標準升溫曲線與真實火災升溫曲線有較大差別，應重視真實火災下結構構件火災反應的研究。

2預應力混凝土結構火災研究的現狀

國外學者對結構抗火性能的研究較早，始于上個世紀初，并成立了許多抗火研究組織，比較有名的有美國建筑火災研究實驗室、美國消防協會、美國預應力混凝土協會等等。國內抗火研究組織對鋼筋混凝土結構抗火性能研究較晚，是上世紀80年代后期才開始的。同濟大學對5榀相同尺寸的單層無粘結預應力混凝土框架、3榀有粘結預應力框架和預應力鋼絲進行了火災試驗，得出的結論主要有以下幾個方面：

（1）在高溫作用下，預應力鋼絲的強度、彈性模量、延伸率均表現出與常溫下不同的性能。強度和彈性模量均表現出隨溫度升高而下降，延伸率則隨溫度的升高而增大。但在 200℃以內鋼絲的力學性能變化很小；在200～300℃時，屈服強度和彈性模量下降速率略有增加，延伸率開始增加，極限強度變動不大；溫度超過300℃后，鋼絲的強度和彈性模量隨溫度升高而降低的速率加快。（2）對于預應力混凝土結構，火災升溫速率和溫度越高，其抗火性能越差。在同一升溫條件下，預應力混凝土結構承受的荷載越大，其抗火性能越不利。對于預應力框架結構，與普通混凝土結構框架試驗結果不同，荷載大小對抗火性能的影響可能要比溫度的影響明顯。（3）預應力度大的結構受溫度影響大，抗火性能要差；預應力筋的有效應力大的結構，其抗火性能比有效應力小的結構差。（4）無粘結預應力混凝土結構的抗火性能比有粘結預應力混凝土結構的抗火性能差。（5）火災后預應力混凝土結構的剛度明顯減小，但仍存在一定的承載力，并反映出較好的恢復性能。

3預應力混凝土結構火災研究有待進一步開展的工作

3.1預應力材料高溫性能研究。預應力鋼絲和鋼絞線在高溫下的蠕變性能是預應力混凝土結構抗火性能研究的基本內容。必須要通過材料試驗研究高強鋼絲和鋼絞線在高溫下的強度、變形、彈性模量的變化規律，特別是鋼絲和鋼絞線的高溫蠕變性能對預應力混凝土結構的有效預應力的影響。此外要重視材料高溫（火災）性能數據庫的建立。如何對目前國內外進行的高溫材料試驗結果進行總結，并建立可供計算機程序調用的材料高溫（火災）性能數據庫是火災材料研究的一個重點。

3.2高溫下預應力整體結構的非線性有限元分析。擬用傳熱學的基本原理，得到差分-有限元瞬態非線性溫度場計算基本方程和各類常用邊界條件，由此計算預應力混凝土結構溫度場分布；并根據熱彈塑性基本理論建立預應力混凝土火災反應的非線性有限元分析基本方程。方程可用于分析預應力混凝土結構火災下的變形、內力變化及預應力筋的應力隨時間變化的過程，確定預應力結構火災反應的一些基本特征。

3.3結構火災的計算機仿真試驗分析。預應力混凝土結構火災試驗是最直接反應預應力混凝土結構抗火性能的手段，但由于試驗條件限制，無法進行足尺模型試驗，采用縮小比例的模型會有一定的差距。另一方面，由于受試驗條件、試驗經費的限制，也無法進行大量的模型試驗。在進行模型試驗的同時，要研究如何采用計算機仿真試驗以避免上述限制。通過大量仿真試驗，了解不同形式預應力混凝土結構的抗火能力，并提出改善預應力混凝土結構抗火能力的方法。

3.4結構火災反應的可靠度分析。由于火災發生的可能性、火災的持續時間和峰值強度、發生火災時結構承受的荷載等因素并不確定，材料在高溫下性能更趨于離散，上述因素均會影響結構的耐火性能。在無粘結預應力結構中，還存在錨固失效的可能性，以及結構局部失效可能產生的整體失效等，因此如何在設計中對這些因素進行綜合考慮，以確定其耐火安全度是結構火災的一個重要研究內容。

3.5結構抗火設計計算機模塊的研制。目前對特定結構進行火災全過程非線性有限元分析在理論上是可行的，但不免繁復的運算過程。因此有必要編制具有工程準確度的、概念清晰且簡易實用的結構抗火設計計算機程序，并實現和現有通用結構設計軟件進行接口是結構抗火試驗研究的工程化的一個關鍵。

4結束語

綜上所述，通過研究和分析國內、國外學者的試驗、結論，只有對混凝土結構抗火性能不斷地深入研究，才能更好地防患于未然。

【參考文獻】

[1] 蔡敬. 預應力混凝土結構火災研究現狀及展望[J]. 科技創業月刊，2006（04）：97-98.