混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀與展望

郭康寧

【摘 要】 本文主要介紹了混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究的現(xiàn)狀、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究有待進(jìn)一步開展的工作等內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】 混凝土 預(yù)應(yīng)力混凝土 抗火性能

引 言

混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土的研究，經(jīng)歷了由構(gòu)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(zāi)對混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)影響研究，成為近年來土木工程行業(yè)研究熱點(diǎn)之一。

1混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土的抗火性能

下文主要通過一些學(xué)者的試驗(yàn)來說明混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能。

1.1混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能。過鎮(zhèn)海等完成了5榀單層單跨鋼筋混凝土框架三面受火試驗(yàn)，實(shí)測了火災(zāi)下框架梁、柱變形和框架柱內(nèi)力，結(jié)果表明：混凝土框架火災(zāi)下發(fā)生明顯的內(nèi)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(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)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(dǎo)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(yàn)，編制了火災(zāi)下框架受力性能的非線性分析程序。經(jīng)不同學(xué)者多次試驗(yàn)研究表明，荷載水平、截面尺寸、保護(hù)層厚度、配筋型式及約束條件、混凝土強(qiáng)度、混凝土爆裂等均影響混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能。

1.2預(yù)應(yīng)力混凝土抗火性能。Herberghen等完成了8塊兩端伸臂無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板抗火性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)下預(yù)應(yīng)力板混凝土爆裂，配置縱橫向非預(yù)應(yīng)力鋼筋的板爆裂程度小于全預(yù)應(yīng)力板，提出了增配支座負(fù)彎矩鋼筋的建議。袁愛民等完成了4塊無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板抗火性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：保護(hù)層厚度越大，板耐火極限越長，預(yù)應(yīng)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(yàn)多基于標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，但標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與真實(shí)火災(zāi)升溫曲線有較大差別，應(yīng)重視真實(shí)火災(zāi)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)反應(yīng)的研究。

2預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究的現(xiàn)狀

國外學(xué)者對結(jié)構(gòu)抗火性能的研究較早，始于上個世紀(jì)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(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室、美國消防協(xié)會、美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會等等。國內(nèi)抗火研究組織對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究較晚，是上世紀(jì)80年代后期才開始的。同濟(jì)大學(xué)對5榀相同尺寸的單層無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架、3榀有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架和預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)，得出的結(jié)論主要有以下幾個方面：

（1）在高溫作用下，預(yù)應(yīng)力鋼絲的強(qiáng)度、彈性模量、延伸率均表現(xiàn)出與常溫下不同的性能。強(qiáng)度和彈性模量均表現(xiàn)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(nèi)鋼絲的力學(xué)性能變化很小；在200～300℃時(shí)，屈服強(qiáng)度和彈性模量下降速率略有增加，延伸率開始增加，極限強(qiáng)度變動不大；溫度超過300℃后，鋼絲的強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高而降低的速率加快。（2）對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，火災(zāi)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)承受的荷載越大，其抗火性能越不利。對于預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)，與普通混凝土結(jié)構(gòu)框架試驗(yàn)結(jié)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(yù)應(yīng)力度大的結(jié)構(gòu)受溫度影響大，抗火性能要差；預(yù)應(yīng)力筋的有效應(yīng)力大的結(jié)構(gòu)，其抗火性能比有效應(yīng)力小的結(jié)構(gòu)差。（4）無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能差。（5）火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(fù)性能。

3預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究有待進(jìn)一步開展的工作

3.1預(yù)應(yīng)力材料高溫性能研究。預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線在高溫下的蠕變性能是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究的基本內(nèi)容。必須要通過材料試驗(yàn)研究高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線在高溫下的強(qiáng)度、變形、彈性模量的變化規(guī)律，特別是鋼絲和鋼絞線的高溫蠕變性能對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的有效預(yù)應(yīng)力的影響。此外要重視材料高溫（火災(zāi)）性能數(shù)據(jù)庫的建立。如何對目前國內(nèi)外進(jìn)行的高溫材料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并建立可供計(jì)算機(jī)程序調(diào)用的材料高溫（火災(zāi)）性能數(shù)據(jù)庫是火災(zāi)材料研究的一個重點(diǎn)。

3.2高溫下預(yù)應(yīng)力整體結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析。擬用傳熱學(xué)的基本原理，得到差分-有限元瞬態(tài)非線性溫度場計(jì)算基本方程和各類常用邊界條件，由此計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)溫度場分布；并根據(jù)熱彈塑性基本理論建立預(yù)應(yīng)力混凝土火災(zāi)反應(yīng)的非線性有限元分析基本方程。方程可用于分析預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的變形、內(nèi)力變化及預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力隨時(shí)間變化的過程，確定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的一些基本特征。

3.3結(jié)構(gòu)火災(zāi)的計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)分析。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)是最直接反應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的手段，但由于試驗(yàn)條件限制，無法進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)，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(yàn)條件、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的限制，也無法進(jìn)行大量的模型試驗(yàn)。在進(jìn)行模型試驗(yàn)的同時(shí)，要研究如何采用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)以避免上述限制。通過大量仿真試驗(yàn)，了解不同形式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火能力，并提出改善預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火能力的方法。

3.4結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)的可靠度分析。由于火災(zāi)發(fā)生的可能性、火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間和峰值強(qiáng)度、發(fā)生火災(zāi)時(shí)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的耐火性能。在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，還存在錨固失效的可能性，以及結(jié)構(gòu)局部失效可能產(chǎn)生的整體失效等，因此如何在設(shè)計(jì)中對這些因素進(jìn)行綜合考慮，以確定其耐火安全度是結(jié)構(gòu)火災(zāi)的一個重要研究內(nèi)容。

3.5結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模塊的研制。目前對特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)全過程非線性有限元分析在理論上是可行的，但不免繁復(fù)的運(yùn)算過程。因此有必要編制具有工程準(zhǔn)確度的、概念清晰且簡易實(shí)用的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序，并實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)有通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行接口是結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)研究的工程化的一個關(guān)鍵。

4結(jié)束語

綜上所述，通過研究和分析國內(nèi)、國外學(xué)者的試驗(yàn)、結(jié)論，只有對混凝土結(jié)構(gòu)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(xiàn)】

[1] 蔡敬. 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 科技創(chuàng)業(yè)月刊，2006（04）：97-98.