預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災研究現(xiàn)狀及展望

　　摘 要：對預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災的研究現(xiàn)狀進行了綜述與分析，探討了預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災研究中存在的主要問題。建議進一步研究應從預應力材料的高溫蠕變性能入手，采用非線性有限元進行整體結(jié)構(gòu)分析，逐步建立結(jié)構(gòu)火災的可靠度方法，并指出結(jié)構(gòu)火災的計算機仿真分析是一種重要的試驗方法。

　　關鍵詞：預應力混凝土 火災 可靠度 仿真分析　

　　據(jù)公安部消防局統(tǒng)計，2005年全國共發(fā)生火災235 941起，死亡2 496人，傷殘2 506人，直接財產(chǎn)損失13.6億元。近年來，預應力混凝土結(jié)構(gòu)已由早期的簡單構(gòu)件發(fā)展為現(xiàn)今復雜的空間整體受力結(jié)構(gòu)，以其大跨度、大空間、良好的結(jié)構(gòu)整體性能以及有競爭力的綜合經(jīng)濟效益，正逐步成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢，由于預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能劣于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此開展預應力混凝土結(jié)構(gòu)的火災反應和抗火性能研究是非常有意義的。

　　1 預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災研究的現(xiàn)狀

　　國外學者對結(jié)構(gòu)抗火性能的研究開展較早，始于20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(xié)會、美國的波特蘭水泥協(xié)會、美國預應力混凝土協(xié)會、英國的BRE(Building Research Establishment)。這些組織對建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能進行了系統(tǒng)的研究，主要體現(xiàn)在對建筑材料高溫下的力學性能；結(jié)構(gòu)、構(gòu)件火災下的升溫過程及溫度場的確定；火災條件下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的極限承載能力及耐火性能方面的研究，并編訂了相應的建筑規(guī)范及行業(yè)規(guī)則。

　　國外預應力混凝土構(gòu)件抗火性能的研究稍晚于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要工作始于20世紀70年代初期。盡管早期Ashton等人的試驗研究認為預應力混凝土在火的作用下存在許多問題，但其后一些學者的試驗和研究表明預應力混凝土構(gòu)件在火的作用下仍具有較好的工作性能。

　　有關文獻介紹了美國進行的18個后張預應力混凝土板和梁的耐火試驗。在這些試驗構(gòu)件中，預應力筋分為有粘結(jié)和無粘結(jié)兩種。在耐火試驗中，實測了時間與預應力筋溫度關系，典型的時間-溫度曲線如圖1所示。在圖中還可以看出不同保護層厚度與耐火時間的關系。

　　Gustaferro等人在預應力混凝土抗火方面做了不少試驗研究，他們對有粘結(jié)預應力混凝土梁、預應力混凝土簡支板、預應力混凝土連續(xù)梁、板等結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在不同情況下的抗火性能進行了試驗研究，并對預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能提出了合理的計算方法。他們通過對后張預應力混凝土梁和板的抗火試驗，得出在1，2，3，4小時的抗火等級下的保護層厚度和構(gòu)件最小尺寸的建議值。Ashton等人與Gustaferro同期也進行了一系列相應的預應力梁抗火試驗研究，包括不同比例試件的耐火極限試驗的對比，試驗結(jié)果表明預應力混凝土能滿足結(jié)構(gòu)的不同耐火等級，其耐火性能主要取決于其預應力筋在火災中所達到的溫度，因此預應力筋的保護層厚度和梁的截面形式對預應力混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能具有明顯的影響，結(jié)構(gòu)在火災下的承載力隨混凝土的保護層厚度增加和荷載減少而提高，并且輕骨料預應力混凝土板的抗火性能好于普通預應力混凝土板。Joseph等進行了后張無粘結(jié)預應力混凝土板的試驗研究，試驗著重研究了預應力鋼筋保護層厚度對構(gòu)件抗火性能的影響同時研究了荷載和端部約束情況的影響、輔助鋼筋的作用等問題。Abrams等人對不同骨料和噴有隔離層的預應力混凝土構(gòu)件的抗火性能進行了試驗研究，Krishnamoorthy等人通過徐變和溫度對預應力混凝土框架性能的試驗研究得出了試驗結(jié)果，其中包括不均勻溫度對結(jié)構(gòu)變形性能的影響及內(nèi)應力和彎矩隨時間的變化。

　　國外根據(jù)預應力混凝土梁、板等方面的試驗研究結(jié)果，已對預應力混凝土在火災作用下的承載力及極限耐火時間有了較全面的了解。他們認為溫度是影響預應力混凝土結(jié)構(gòu)蠕變性能的主要因素，要建立合理的分析方法必須考慮混凝土溫度蠕變特性，彈性理論已不適用，蠕變率的分析方法被認為是預測整個加載階段結(jié)構(gòu)特性較滿意的方法。他們的試驗研究為預應力混凝土抗火設計提供了直接依據(jù)。

　　國內(nèi)抗火研究組織從20世紀80年代后期起著手進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究，但國內(nèi)關于預應力混凝土抗火方面的試驗研究尚處于起步階段，缺乏足夠的試驗數(shù)據(jù)。國內(nèi)規(guī)范中涉及預應力混凝土的抗火內(nèi)容主要是參考國外經(jīng)驗確定的，如《無粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》防火部分第三章第3.2.1條規(guī)定用保護層厚度來滿足不同耐火等級要求，它對不同耐火極限下無粘結(jié)預應力混凝土保護層厚度的確定，主要取自美國《后張預應力混凝土手冊》。同濟大學對5榀相同尺寸的單層無粘結(jié)預應力混凝土框架、3榀有粘結(jié)預應力框架和預應力鋼絲進行了火災試驗，得出了一些有用的結(jié)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(xiàn)出與常溫下不同的性能。強度和彈性模量隨溫度升高而下降，延伸率則隨溫度的升高而增大；②對于預應力混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)承受的荷載越大，其抗火性能越不利；③對于預應力框架結(jié)構(gòu)，與普通混凝土結(jié)構(gòu)框架試驗結(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。預應力度大的結(jié)構(gòu)受溫度影響大，抗火性能差。預應力筋的有效應力大的結(jié)構(gòu)，其抗火性能比有效應力小的結(jié)構(gòu)差。無粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能比有粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能差?；馂暮箢A應力混凝土結(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性能。

　　2 存在的問題

　　盡管國內(nèi)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火方面的研究工作已經(jīng)取得長足進步，但在預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災性能方面的研究才剛剛起步。誠然，預應力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在許多方面有相似性，但由于預應力混凝土結(jié)構(gòu)自身的特性，這方面的研究還存在著許多問題，主要表現(xiàn)為以下方面：一是到目前為止各國學者所進行的試驗及研究，基本上是以預應力混凝土簡支構(gòu)件在標準火災下極限耐火時間為研究對象，主要考慮了截面內(nèi)部溫度分布及升溫對預應力鋼筋強度的影響等因素；二是以往試驗主要研究預應力混凝土構(gòu)件的耐火性能，由于結(jié)構(gòu)的相互作用，因此受火構(gòu)件的熱變形將對其他構(gòu)件產(chǎn)生影響，并存在較大的內(nèi)力重分布，目前尚無專門研究，一般的解決辦法是直接引用普通鋼筋混凝土連續(xù)梁等火災的有關結(jié)果，而這些結(jié)果是否能直接使用于預應力混凝土結(jié)構(gòu)尚缺乏試驗驗證；三是以往的分析方法僅以熱傳導作為判斷依據(jù)，無法對結(jié)構(gòu)響應和損傷如位移、開裂、屈服等進行有效的判斷，特別是材料的高溫蠕變對結(jié)構(gòu)火災響應的顯著影響缺少一定的研究；四是與普通混凝土相比，預應力混凝土具有許多特殊性，而以往的試驗研究較少涉及。

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　　3 今后應開展的工作

　　(1)預應力材料高溫性能研究。采用高強預應力鋼絲和鋼絞線是目前高效預應力混凝土的一個主要特征，因此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(jié)構(gòu)抗火性能研究的基本內(nèi)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(guī)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(jié)構(gòu)的有效預應力的影響。此外要重視材料高溫(火災)性能數(shù)據(jù)庫的建立。由于混凝土和鋼材本身化學成分的差異，在溫度影響下材料熱工、力學性能有較大的離散性，如何對目前國內(nèi)外進行的高溫材料試驗結(jié)果進行總結(jié)，并建立可供計算機程序調(diào)用的材料高溫(火災)性能數(shù)據(jù)庫是火災材料研究的一個重點。

　　(2)高溫下預應力整體結(jié)構(gòu)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(tài)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(jié)構(gòu)溫度場分布，并根據(jù)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(jié)構(gòu)火災下的變形、內(nèi)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(jié)構(gòu)火災反應的一些基本特征。

　　(3)結(jié)構(gòu)火災的計算機仿真試驗分析。一方面預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災試驗是最直接反應預應力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的手段，但預應力混凝土結(jié)構(gòu)通常都應用于各類大跨度、大空間結(jié)構(gòu)，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能基本反映火災全過程的反應規(guī)律，但仍然有一定的差距。另一方面，由于受試驗條件、試驗經(jīng)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(jié)構(gòu)的抗火能力，并提出改善預應力混凝土結(jié)構(gòu)抗火能力的方法。筆者通過對有粘結(jié)預應力框架火災位移的計算機仿真分析，可以得出如圖2所示的有粘結(jié)預應力框架火災下位移的實測值和計算機仿真分析結(jié)果的比較。由圖2可見，計算所得的位移變化規(guī)律與實測相符，但仿真分析得到的結(jié)構(gòu)位移較實測要大，誤差最大時為40%。產(chǎn)生誤差的主要原因可能由于試件混凝土含水率偏高，造成計算溫度場高于實際溫度分布，而結(jié)構(gòu)的溫度變形及材料性質(zhì)與溫度密切相關，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)計算誤差。并且溫度越高，材料的物理、力學性能離散性越大，另一方面，材料的高溫蠕變的相關資料較少，這些也會造成一定的誤差。總之仿真分析時的參數(shù)取值是否準確將影響分析結(jié)果，合理的參數(shù)取值依賴于可靠的實驗結(jié)果。

　　(4)結(jié)構(gòu)火災反應的可靠度分析。由于火災發(fā)生的可能性、火災的持續(xù)時間和峰值強度、發(fā)生火災時結(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)預應力結(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，因此如何在設計中對這些因素進行綜合考慮，以確定其耐火安全度是結(jié)構(gòu)火災的一個重要研究內(nèi)容。結(jié)構(gòu)火災下的可靠度分析也是對現(xiàn)有遭受過火災的建筑物進行評估的一個重要方面。

　　(5)結(jié)構(gòu)抗火設計計算機模塊的研制。目前對特定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗火設計計算機程序，并實現(xiàn)和現(xiàn)有通用結(jié)構(gòu)設計軟件進行接口是結(jié)構(gòu)抗火試驗研究工程化的一個關鍵。

　　參考文獻：
1 Ashton L A. The fire-resistance of prestressed concrete floors[J].Civil Engineering and Rublicworks Review，1951（46）
2 Gustaferro A H. Fire resistant of post-tensioned structures[J].The Journal of the PCI，1973（18）
3 華毅杰.預應力混凝土結(jié)構(gòu)火災反應及抗火性能研究[M].上海:同濟大學出版社，2000