混凝土及預應力混凝土結構抗火研究現狀與展望

余華

摘? ?要：在對混凝土及預應力混凝土兩種材料的研究過程中，著重對其抗火能力進行了深入的研究和分析，論述了不同國家對于混凝土抗火能力的研究現狀，詳細論述了針對這種材料的先進修復技術，并且在論述中也提出了這種材料在火災中應用會產生的某些問題，對這種材料的未來發展前景進行論述。根據大量的研究分析結果得知，混凝土在火災中受到高溫爆裂的界點是根據強度的改變而發生變化的，不同種類的混凝土在火災中爆裂點也不同，所以在研究混凝土及預應力混凝土結構過程中，應當考慮以下幾點：高溫下不爆裂、高溫下不易倒塌、火災過后容易修復等因素。

關鍵詞：鋼筋混凝土;預應力混凝土;爆裂;抗火性能

火災的發生頻率很高[1-2]，研究表明，我國每年發生的火災事件超過15萬件，全球建筑起火事件是中國的24倍左右，因火災損毀的建筑物不計其數。舉例來說，2003年，我國湖南發生的一起大廈起火事件不僅導致大廈坍塌，20幾名消防官兵也在救火的過程中失去了生命。高溫對建材的性能以及結構等具有非常重要的影響。在高溫的作用下，材料可能會因高溫產生爆裂。目前，混凝土及預應力混凝土結構在火災中的影響受到了全世界的關注和研究。本文將介紹火災發生之后混凝土結構如何修復等先進技術，調整和改善目前混凝土在抗火能力中仍舊存在的不足之處，并對未來進行設想。

1? ? 國外預應力混凝土結構火災研究的現狀

隨著經濟社會的發展，全球的經濟產業正在迅猛發展，但是各類建筑以及橋梁的火災事故卻頻繁發生，給社會以及人民的生命財產安全等帶來了巨大的損失和危害。嚴重的火災可能造成建材結構坍塌、爆裂等一系列的嚴重影響，為了盡量避免這樣的損失，國內外的專家學者開始了一系列的研究。

對于預應力混凝土抗火能力的研究，國外的開始時間要早于中國，20世紀初期就已經進入研究領域并且成立了很多專門的研究組織，其中，以美、英兩國較為著名，例如波特蘭水泥協會。這些研究組織針對建筑結構的抗火能力進行了一系列科學、合理的研究和分析，主要分為以下幾個方面：（1）建材在火災產生的高溫中力學性能的研究。（2）火災發生過程中溫度場的確定。（3）確定建筑材料在高溫中的承載能力以及抗火能力的研究，并且在研究取得一定成果之后編寫了較為詳細的建筑規范準則以及行業條文。在研究鋼筋混凝土的抗火能力50年之后，國外組織開始了對預應力混凝土結構的抗火能力的研究。雖然國外科研專家在反復的試驗過程中發現預應力混凝土在火災的發生過程中依舊存在某些不可避免的問題，但是在某些學者的研究中也發現了另外較為優秀的工作性能，依舊可以應用于建筑的使用過程[3-6]。

2? ? 國內預應力混凝土結構火災研究的現狀

建材結構抗火能力的研究在我國起步的時間稍晚，自20世紀80年代開始，我國的學者和專家才開始進行系統的研究和分析。針對此研究參與進來的大學主要有清華大學、同濟大學以及其他較為著名的大學。同時，我國也建立了很多關于火災的研究機構，舉例來說，我國公安部下屬的幾大消防研究所曾在防火技術、高空排煙技術、阻燃技術等領域產生了重大的突破，取得了非常重要的研究成果，為我國消防、火災方面提供了重要的技術支撐，減少了很多財產損失和人員傷亡。

同濟大學對于建材抗火性能的研究始于20世紀80年代，陸州導對其進行了系統的實驗，將同等數量的混凝土以及鋼筋置放在高溫中，觀察兩者的強度、應力以及其他實驗數據的變化，并且將幾十根混凝土從高溫環境中移出并對其進行冷卻處理，觀察冷卻后建材的黏連程度，還對鋼筋混凝土的抗火能力進行精密的實驗。肖建莊在對建材抗火能力的研究中主要研究了鋼筋混凝土在火災后的抗壓能力、剪刀墻以及板架等的對抗火災的能力。

清華大學主要研究了建筑結構對于火災的抗火能力。主要包括以下幾個方面：（1）混凝土等材料在火災中抵抗高溫的能力;（2）鋼筋混凝土連接房梁、框架等的實驗。南建林 主要研究的方向是混凝土在溫度以及應力在耦合產生作用力的情況下出現的力學性能，在研究之后還構建了完善的混凝土在火災過程中溫度—應力耦合的本構聯系。呂彤光則是對建筑中常用的幾種具有不同性能的鋼筋進行了對比分析。

3? ? 存在的問題

雖然我國各個機構對于建材在抗火能力方面的研究預分析得到了較為顯著的成果，但是對于預應力混凝土在地域火災能力方面的探討處于萌芽狀態，還沒有進行深入的分析和研究。雖然它與鋼筋混凝土在防火能力方面具有很多相似性，但兩者畢竟不是屬于同一種建材，而且預應力混凝土自身也具有獨特的特征，所以在這方面的研究中我國的各個機構仍需要繼續努力。目前，我國在這方面的研究過程中存在幾點問題：（1）全球的專家學者在研究的過程中將注意力重點放在了預應力混凝土在普通火災發生過程中耐火的最高臨界點，考慮的是建材橫截面內部的溫度分布以及火災發生中溫度逐漸升高對于鋼筋強度是否存在影響，以及能夠產生怎樣的影響。（2）在通常的實驗研究過程中，重點研究的是預應力混凝土地域火災的能力，但是因為結構之間彼此影響，所以建材受熱產生形狀的變化可能會對其他的構件產生破壞的作用，針對此問題目前并無系統的研究給予詳細的說明和解決辦法。（3）傳統的實驗操作中將熱傳導作為實驗的理論依據，并不能對火災中建材的損傷以及結構變化等進行有效和正確的分析，尤其是材料在高溫下產生的蠕變對火災的影響缺乏相應的理論支持。（4）預應力混凝土與其他的混凝土相比較具有很多特殊性，但是在以前的各個實驗中并沒有對其進行充分的研究。

4? ? 火災后混凝土結構加固修復技術

混凝土結構在火災后的危險其實要遠高于火災中的危險。所以對火災發生過后的損傷判定則成為首要的需要。吳波[7]根據火災發生的荷載密度、通風狀況等因素的影響構建了簡明有效的室內火災過程中溫度上升的計算方式，對于工程中的應用提供了有效的方式。吳波、鄭文忠等[8-9]先后對混凝土在承受高溫過程中的力學進行了反復的實驗和分析，得出了摻纖維HSC、RPC在火災發生過程中溫度與損傷的緊密聯系。吳波構建了建材內部構建最高溫度場的計算方式，得出了包括環向約束高強混凝等有關的力學性能，讓火災中受到高溫擠壓的混凝土比沒有受到約束的混凝土得到超過20%的作用，并且在反復的實驗中對受到輕微損害的結構，大膽提出了承受超過500 ℃的混凝土有效修復的技術，還構建了建材在承受火災之后的抗震恢復力模型，達到了火災發生過后判定混凝土損傷程度的目的，得到了較為顯著的效果。我國其他各個研究所也在不斷的實驗中得到了豐富的理論與結果，為研究火災對混凝土的損傷判斷給予強有力的理論支撐。

5? ? 研究結論

（1）火災發生過程中產生的高溫會對混凝土進行擠壓，可能出現爆裂的情況，造成力學減退的情況，與此同時，力學性能還受到構成混凝土的成分以及火災溫度上升速度的影響。

（2）在通常的實驗過程中，多采取標準升溫曲線，但是這種曲線與實際發生的火災相比具有明顯的差異，所以專家和學者在研究的過程中應當重視實際火災發生中混凝土抵抗高溫的能力。但是由于實驗無法完全模擬真實的火災場景，所以用于實驗的預應力混凝土等抗火能力數據偏小，所以必須加強實驗強度。

（3）在實驗過程中對于混凝土等的設計目標應當滿足以下幾方面：在火災發生過程中不倒塌、不爆裂，并且能夠在災后進行修復，進行二次使用。

（4）處于建筑高層的混凝土以及地下的結構空間可以根據建筑用地進行充分的利用，高層混凝土在發生火災時火勢過大且蔓延的速度極快。而地下空間承受高溫的最高限度一般是4 h，遠超地上結構構件的承受時間。所以要針對兩種不同的情況對火災環境以及發生火災之后的反應速度等進行仔細研究和分析，不斷提升建筑整體抗火的能力。

6? ? 發展前景

本文研究的形式還存在不足之處，僅列舉了一些研究的成果和方面，所列舉的實驗結果可能也存在單一性，不能完全概括所有的火災情況，所以希望未來專家學者在研究的過程中能夠從以下幾方面進行補充：（1）研究對象可以具有多元化;（2）在混凝土結構中加入更豐富的防火材料，增加抵御火災的能力;（3）能夠重點觀察火災發生過程或者重點研究對于預應力的變化情況。

7? ? 結語

總結了國內外對于預應力混凝土的研究現狀、在研究中出現的問題以及目前比較先進的研究技術，并且展望了未來我國在研究混凝土的實驗方向。我國雖然在建筑結構抵御火災能力方面取得了一些進展，但是也不可避免地遇到了一些問題，我國與國外的研究也存在較大的差距，比如研究的內容過于簡單、缺乏全面性、研究的機構規模不大、實驗器材不夠先進等問題。所以我國必須加強這方面的投入和支持，對于一些重點項目進行資金和技術的支撐，保證實驗順利進行，取得重要的理論成果。

[參考文獻]

[1]吳?  波，唐貴和.近年來混凝土結構抗火研究進展[J].建筑結構學報，2010，31（6）：110-121.

[2]鄭文忠，閆?  凱，王? ?英.預應力混凝土結構抗火研究進展[J].建筑結構學報，2011，32（12）：52-61.

[3]邵慶輝，古國榜，章麗娟，等.納米材料合成與制備進展研究[J].兵器材料科學與工程，2002（4）：59-63.

[4]杜仕國，施冬梅，韓其文.納米顆粒的液相合成技術[J].粉末冶金技術，2000（1）：46-50.

[5]方? ?云，楊澄宇，陳明清，等.納米技術與納米材料簡介[J].日用化學工業，2003（1）：55-60.

[6]楊鼎宜.納米材料的結構性能特征及其在建筑中的應用[J].建筑技術開發，2003（2）：42-46.

[7]吳? ?波.火災后鋼筋混凝土結構的力學性能[M].北京：科學出版社，2003.

[8]鄭文忠，李海艷，王? ?英.高溫后不同聚丙烯纖維摻量的活性粉末混凝土力學性能試驗研究[J].建筑結構學報，2012，33（9）：119-126.

[9]侯曉萌，鄭文忠，孫洪宇.火災作用下錨具對預應力鋼棒錨固性能退化規律研究[J].建筑結構學報，2014，35（3）：110-118.