混凝土及预应力混凝土结构抗火研究现状与展望

郭康宁

【摘 要】 本文主要介绍了混凝土与预应力混凝土结构的抗火性能、预应力混凝土结构火灾研究的现状、预应力混凝土结构火灾研究有待进一步开展的工作等内容。

【关键词】 混凝土 预应力混凝土 抗火性能

引 言

混凝土及预应力混凝土的研究，经历了由构件到体系，由静力到动力，由一般作用到极端作用的多个阶段.火灾对混凝土及预应力混凝土结构影响研究，成为近年来土木工程行业研究热点之一。

1混凝土与预应力混凝土的抗火性能

下文主要通过一些学者的试验来说明混凝土结构、预应力混凝土结构的抗火性能。

1.1混凝土结构抗火性能。过镇海等完成了5榀单层单跨钢筋混凝土框架三面受火试验，实测了火灾下框架梁、柱变形和框架柱内力，结果表明：混凝土框架火灾下发生明显的内力重分布；基于平截面假定，给出了混凝土、钢筋热-力偶合本构关系，推导了适用于任意温度-荷载路径的平衡方程，编 制了杆系有限元析程序NARCSLT。陆洲导等完成了5榀单层双跨混凝土框架在600℃、800 ℃单跨受火、双跨受火试验，编制了火灾下框架受力性能的非线性分析程序。经不同学者多次试验研究表明，荷载水平、截面尺寸、保护层厚度、配筋型式及约束条件、混凝土强度、混凝土爆裂等均影响混凝土结构抗火性能。

1.2预应力混凝土抗火性能。Herberghen等完成了8块两端伸臂无粘结预应力混凝土板抗火性能试验，发现火灾下预应力板混凝土爆裂，配置纵横向非预应力钢筋的板爆裂程度小于全预应力板，提出了增配支座负弯矩钢筋的建议。袁爱民等完成了4块无粘结预应力混凝土简支板抗火性能试验，结果表明：保护层厚度越大，板耐火极限越长，预应力度（0.4～0.6）对板的耐火极限影响不明显。总之，以往抗火试验多基于标准升温曲线，但标准升温曲线与真实火灾升温曲线有较大差别，应重视真实火灾下结构构件火灾反应的研究。

2预应力混凝土结构火灾研究的现状

国外学者对结构抗火性能的研究较早，始于上个世纪初，并成立了许多抗火研究组织，比较有名的有美国建筑火灾研究实验室、美国消防协会、美国预应力混凝土协会等等。国内抗火研究组织对钢筋混凝土结构抗火性能研究较晚，是上世纪80年代后期才开始的。同济大学对5榀相同尺寸的单层无粘结预应力混凝土框架、3榀有粘结预应力框架和预应力钢丝进行了火灾试验，得出的结论主要有以下几个方面：

（1）在高温作用下，预应力钢丝的强度、弹性模量、延伸率均表现出与常温下不同的性能。强度和弹性模量均表现出随温度升高而下降，延伸率则随温度的升高而增大。但在 200℃以内钢丝的力学性能变化很小；在200～300℃时，屈服强度和弹性模量下降速率略有增加，延伸率开始增加，极限强度变动不大；温度超过300℃后，钢丝的强度和弹性模量随温度升高而降低的速率加快。（2）对于预应力混凝土结构，火灾升温速率和温度越高，其抗火性能越差。在同一升温条件下，预应力混凝土结构承受的荷载越大，其抗火性能越不利。对于预应力框架结构，与普通混凝土结构框架试验结果不同，荷载大小对抗火性能的影响可能要比温度的影响明显。（3）预应力度大的结构受温度影响大，抗火性能要差；预应力筋的有效应力大的结构，其抗火性能比有效应力小的结构差。（4）无粘结预应力混凝土结构的抗火性能比有粘结预应力混凝土结构的抗火性能差。（5）火灾后预应力混凝土结构的刚度明显减小，但仍存在一定的承载力，并反映出较好的恢复性能。

3预应力混凝土结构火灾研究有待进一步开展的工作

3.1预应力材料高温性能研究。预应力钢丝和钢绞线在高温下的蠕变性能是预应力混凝土结构抗火性能研究的基本内容。必须要通过材料试验研究高强钢丝和钢绞线在高温下的强度、变形、弹性模量的变化规律，特别是钢丝和钢绞线的高温蠕变性能对预应力混凝土结构的有效预应力的影响。此外要重视材料高温（火灾）性能数据库的建立。如何对目前国内外进行的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程序调用的材料高温（火灾）性能数据库是火灾材料研究的一个重点。

3.2高温下预应力整体结构的非线性有限元分析。拟用传热学的基本原理，得到差分-有限元瞬态非线性温度场计算基本方程和各类常用边界条件，由此计算预应力混凝土结构温度场分布；并根据热弹塑性基本理论建立预应力混凝土火灾反应的非线性有限元分析基本方程。方程可用于分析预应力混凝土结构火灾下的变形、内力变化及预应力筋的应力随时间变化的过程，确定预应力结构火灾反应的一些基本特征。

3.3结构火灾的计算机仿真试验分析。预应力混凝土结构火灾试验是最直接反应预应力混凝土结构抗火性能的手段，但由于试验条件限制，无法进行足尺模型试验，采用缩小比例的模型会有一定的差距。另一方面，由于受试验条件、试验经费的限制，也无法进行大量的模型试验。在进行模型试验的同时，要研究如何采用计算机仿真试验以避免上述限制。通过大量仿真试验，了解不同形式预应力混凝土结构的抗火能力，并提出改善预应力混凝土结构抗火能力的方法。

3.4结构火灾反应的可靠度分析。由于火灾发生的可能性、火灾的持续时间和峰值强度、发生火灾时结构承受的荷载等因素并不确定，材料在高温下性能更趋于离散，上述因素均会影响结构的耐火性能。在无粘结预应力结构中，还存在锚固失效的可能性，以及结构局部失效可能产生的整体失效等，因此如何在设计中对这些因素进行综合考虑，以确定其耐火安全度是结构火灾的一个重要研究内容。

3.5结构抗火设计计算机模块的研制。目前对特定结构进行火灾全过程非线性有限元分析在理论上是可行的，但不免繁复的运算过程。因此有必要编制具有工程准确度的、概念清晰且简易实用的结构抗火设计计算机程序，并实现和现有通用结构设计软件进行接口是结构抗火试验研究的工程化的一个关键。

4结束语

综上所述，通过研究和分析國内、国外学者的试验、结论，只有对混凝土结构抗火性能不断地深入研究，才能更好地防患于未然。

【参考文献】

[1] 蔡敬. 预应力混凝土结构火灾研究现状及展望[J]. 科技创业月刊，2006（04）：97-98.