火災對（預應力）混凝土結構力學性能的影響分析

王海東，蔣亞龍，邱搖

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601;2.安徽新華學院 城市建設學院，安徽 合肥 230088）

1 前言

隨著社會經濟的不斷發展以及人們幸福水平的不斷提升，人們對建筑物材料的要求也變得越來越高。一些新型建筑材料如預應力混凝土正因其跨度大、重量輕、節省建筑材料、充分利用建筑結構功能等突出優點，應用越來越廣泛。預應力材料的出現，更新了土木行業的建筑材料，順應了時代的發展趨勢[1]。預應力混凝土的出現需要經過多個因素的考量，其中抗火性是考量因素之一。火災是一種高風險的災害，中國每年約有10 多萬起建筑火災，全球每年約有300多萬起建筑火災。火災會使建筑物產生結構性破壞，其產生的高溫對建筑材料的性能和屬性有著非常重要的影響，且該過程為不可逆。在高溫作用下，材料會因為高溫產生開裂和爆炸，并失去其原有的結構性能[2]。當前，預應力混凝土的抗火性研究在國內外已經展開有相當一段時間了，且國外研究早于國內。相關研究機構和學者對混凝土結構的抗火能力進行了一系列研究和分析，主要分為以下幾個方面：①預應力混凝土結構的建筑在火災高溫情況下發生的一系列材料性能的變化；②仿真模擬火災發生時各個溫度場的變化，以此來確定火災時的溫度場；③確定預應力混凝土結構在火災（高溫）下的承載能力以及抗火能力。盡管研究人員在反復試驗中發現，火災過程中的預應力混凝土會出現一些不可避免的問題，但在一些科研工作中也發現了其中相對較好的工作性能，仍能在建筑工程中得到應用。

20 世紀末開始，我國學者和專家開始對混凝土和預應力混凝土的抗火性能進行研究，建立的相關研究機構和重點實驗室為火災前的預防和火災后的修復提供了重要的技術支撐和保障。但相關的研究較為簡單，需要加大這方面的投入，并且要進一步系統化、多樣化。

學者們對混凝土材料的抗火性能進行了相關的試驗。將等量的混凝土和鋼筋置于高溫下，觀察其強度、應力等實驗變化，從高溫環境中取出若干混凝土進行冷卻，冷卻后觀察建筑材料的粘結程度，此外鋼筋混凝土的耐火性也得到了精確的測試。在建筑材料耐火性能的研究中，研究人員主要研究了火災后鋼筋混凝土的抗壓強度和屈服強度。本文就混凝土結構和預應力混凝土結構在火災（高溫）下的力學性能進行了對比和總結，普通混凝土和預應力混凝土的抗火性能研究對于保障居民的生命和財產安全、火災后的修復具有十分重要的意義。

2 火災對混凝土結構和預應力混凝土影響機制區別

2.1 混凝土影響機理

當前，施工單位所用材料最常見的是混凝土。它是以水泥為膠凝材料，砂、石等粗細骨料按一定比例混合，加水攪拌，適當振搗養護而成的非均質復合材料。它是一種由固、液、氣三相組合而成的復雜結構[3]。降低混凝土在高溫下的強度和變形性能的機理主要歸結為三點：由于混凝土內部含有自由水,當溫度達到100℃，內部的水分會發生蒸發,內部會逐漸形成空洞和裂縫,材料界面形成裂紋的另一個重要原因就是砂石等粗骨料和泥漿的熱工性不同在受熱時會發生變形差和內應力。500℃大脫水后水泥中材料凝膠、氫氧化鈣等水合物的收縮效果，會導致水泥密度降低，甚至破壞結構，粗骨料本身的性質就是受熱易膨脹并極易發生破裂，從而導致混凝土的強度降低。當溫度越來越高時，混凝土成分中的膠凝材料會出現分解和結構裂縫的延伸，最后積累變得越來越嚴重，從而使其混凝土強度大大降低[4]。

2.2 鋼筋影響機理

火災和高溫對鋼材的影響主要來自以下幾個方面：原子初始熱振蕩的放大和傳播伴隨著高溫使鋼材發生了軟化，這在某種程度上弱化了鋼筋硬化所帶來的影響；降低原子在高溫下的結合力，增加滑動變形，降低滑動阻力；當溫度高于1400℃時，鋼將進入液態，并失去抗載荷能力。因此，耐火性對冷處理鋼筋的影響較大，此外高溫對鋼材的影響也與鋼材的品種及其生產工藝有關。

2.3 預應力鋼筋混凝土影響機理

預應力鋼筋的預應力易發生損失，在高溫環境中預應力鋼筋中的預應力會發生較大的損失，所以其強度相比于普通鋼筋強度下降得更快。當溫度過高或者過低時，預應力鋼筋的應變會因熱膨脹和冷縮而發生變化。對于高溫環境下的預應力鋼筋，拉伸應變與溫度升高的比值不再是線性的，這是因為高溫作用也會改變預應力鋼筋的彈性模量，當預應力鋼筋處于高于常溫應力狀態時，會導致蠕變的快速上升，加劇鋼材在高溫下的松弛，導致預應力混凝土構件中預應力的進一步損失和減少[5]。預應力鋼筋高溫性能的研究主要為以下方面：①強度，即溫度對預應力鋼筋名義屈服強度和極限強度的影響；②變形，包括不同溫度下的彈性模量、自由線膨脹、蠕變等。

2.4 混凝土和鋼筋之間的影響機理

鋼筋與混凝土之間粘結作用主要由膠結作用、摩擦力和機械咬合作用三部分組成，在相對較低溫度作用下，因為鋼筋和混凝土之間的熱膨脹相差較大，并且在100℃附近混凝土內部會因為失水而造成體積的相對收縮，兩者之間的摩擦力和咬合作用會比常溫時增大,其粘結強度會出現小范圍的波動，有可能還會有所提高。而在相對較高的高溫作用下，混凝土和鋼筋的粘結強度下降的原因：當溫度在500℃上下波動時，其內部的結晶水會脫去并進一步加大體積的收縮,此時摩擦力和咬合作用也會進一步增大，導致混凝土過早開裂。高溫后混凝土會因為之前失去結晶水從而吸水膨脹，會使混凝土的強度降低，鋼筋反而會緊縮，導致摩擦力和咬合作用都相應減小,最終導致兩者的粘結力進一步下降。

3 高溫下混凝土結構與預應力混凝土結構力學性能區別

3.1 高溫下普通混凝土力學性能

混凝土在高溫下的力學性能指標主要是指抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、應力應變關系等。對于抗壓強度國內外研究比較多，結論如下：當溫度逐漸升高在300℃附近時，在這期間混凝土的抗壓強度受溫度因素的影響不明顯，但是一旦溫度高出300℃時，會打破其支撐，溫度再繼續上升，此時抗壓強度和溫度成負相關[6]。所以說高溫后的普通混凝土的抗壓強度與所能經受得住的最高恒溫有非常大的關聯，當最高恒溫時長不斷拉長，此時混凝土的抗壓強度會越來越小。此外混凝土抗拉強度隨火災溫度的升高而降低。在試驗中，對于高溫混凝土的抗壓試驗值，抗壓強度低的混凝土的抗拉強度降低較少，這意味著混凝土材料的配合比對混凝土的抗拉強度有一定影響，不可忽視，初始時混凝土設計強度越大，抗壓強度在高溫環境中的應力損失也會越大，但是抗拉強度在同等高溫環境中應力損失會越小，到最后兩者都會趨于穩定的數值，即破壞前的數值。混凝土的抗拉強度遠小于抗壓強度，但影響到抗壓強度的那些因素也會影響到抗拉強度[7]。對于彈性模量，國內外的研究一致表明，普通混凝土的彈性模量與溫度的關系成負相關[8]。

3.2 高溫下鋼筋的力學性能

根據國內外大量試驗研究，當溫度升高時，鋼筋的抗拉強度和屈服強度都會降低，但在一定溫度范圍內，強度降低的方式不同。具體表現：對于鋼筋強度，當溫度在300℃附近波動，熱軋鋼筋會出現疲軟現象，此時,其屈服強度會略微有所下降，當溫度在此基礎上繼續上升時，鋼筋的強度有明顯下降的傾向。在600℃的溫度下，鋼筋的屈服強度是常溫下獲得的數值的1/2。當冷拔鋼絲和鋼鉸鋼絲的溫度超過150℃時，其內部結構破壞導致失去了其支撐，鋼絲的極限強度會陡然下降。當溫度達到450℃附近時，極限強度損失約為整體結構的60%。對于高強度合金鋼筋，在200～300℃的溫度范圍內上下波動，其屈服強度和極限強度會出現先升高后降低的一種力學現象[8]。

3.3 高溫下預應力鋼筋混凝土力學性能

研究結果表明，高溫冷卻后預應力混凝土受彎構件的開裂彎矩降低幅度較大。當溫度在400℃上下波動時，會下降到常溫時的1/2 左右，700℃時只有常溫時的1/5 左右。試驗梁的屈服彎矩在400℃以前變化不大，隨溫度上升到400℃以后，其失去支撐導致下降幅度加快，在700℃屈服彎矩為常溫時的65%,其總趨勢是開裂彎矩和屈服彎矩都隨溫度升高而降低。

預應力結構的耐火性能與普通鋼筋混凝土結構相似。一般來說，預應力鋼筋的強度下降速度比普通鋼筋快，預應力結構的力學性能比普通混凝土結構差。但是，預應力結構在抗壓時能更好地保護內部的鋼筋，原因是預應力板的截面裂縫比普通混凝土板開裂較晚。

4 總結

本文分析和歸納了混凝土結構和預應力混凝土結構的抗火性能和影響因素，總結了目前研究人員取得的一些成果：

①火災前后二者力學性能有差別，主要體現在預應力鋼筋上；

②在火災初期，預應力的作用有利于結構的抗火性能，但在火災后期，由于溫度的升高，預應力筋中的預應力損失較大，預應力鋼筋的這一缺點反映了其耐火性差，另外高溫對熱膨脹有很大影響，梁和柱由于高溫熱膨脹而伸長，導致結構中額外的內力和預應力損失，增加了結構在火災中的損壞程度[9]；

③火災是一個非常復雜的過程，研究人員水平的差異和實驗條件的不足會導致無法模擬真正火場的情況，測得的數據也會有相應的誤差。