預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究現(xiàn)狀及展望

　　摘 要：對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)的研究現(xiàn)狀進行了綜述與分析，探討了預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究中存在的主要問題。建議進一步研究應(yīng)從預(yù)應(yīng)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(zāi)的可靠度方法，并指出結(jié)構(gòu)火災(zāi)的計算機仿真分析是一種重要的試驗方法。

　　關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土 火災(zāi) 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(zāi)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(yù)應(yīng)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(fù)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)和抗火性能研究是非常有意義的。

　　1 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)抗火性能的研究開展較早，始于20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)研究實驗室、美國消防協(xié)會、美國的波特蘭水泥協(xié)會、美國預(yù)應(yīng)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(xué)性能；結(jié)構(gòu)、構(gòu)件火災(zāi)下的升溫過程及溫度場的確定；火災(zāi)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(yīng)的建筑規(guī)范及行業(yè)規(guī)則。

　　國外預(yù)應(yīng)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(jì)70年代初期。盡管早期Ashton等人的試驗研究認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土在火的作用下存在許多問題，但其后一些學(xué)者的試驗和研究表明預(yù)應(yīng)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(guān)文獻(xiàn)介紹了美國進行的18個后張預(yù)應(yīng)力混凝土板和梁的耐火試驗。在這些試驗構(gòu)件中，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋溫度關(guān)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(guān)系。

　　Gustaferro等人在預(yù)應(yīng)力混凝土抗火方面做了不少試驗研究，他們對有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板、預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)的預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋在火災(zāi)中所達(dá)到的溫度，因此預(yù)應(yīng)力筋的保護層厚度和梁的截面形式對預(yù)應(yīng)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(zāi)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(yù)應(yīng)力混凝土板的抗火性能好于普通預(yù)應(yīng)力混凝土板。Joseph等進行了后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板的試驗研究，試驗著重研究了預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力和彎矩隨時間的變化。

　　國外根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土梁、板等方面的試驗研究結(jié)果，已對預(yù)應(yīng)力混凝土在火災(zāi)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(rèn)為溫度是影響預(yù)應(yīng)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(rèn)為是預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土抗火設(shè)計提供了直接依據(jù)。

　　國內(nèi)抗火研究組織從20世紀(jì)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(guān)于預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)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(yù)應(yīng)力混凝土保護層厚度的確定，主要取自美國《后張預(yù)應(yīng)力混凝土手冊》。同濟大學(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)力鋼絲進行了火災(zāi)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(yù)應(yīng)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(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；③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(yù)應(yīng)力度大的結(jié)構(gòu)受溫度影響大，抗火性能差。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。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?；馂?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。

　　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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)性能方面的研究才剛剛起步。誠然，預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(xué)者所進行的試驗及研究，基本上是以預(yù)應(yīng)力混凝土簡支構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)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(yù)應(yīng)力鋼筋強度的影響等因素；二是以往試驗主要研究預(yù)應(yīng)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(zāi)的有關(guān)結(jié)果，而這些結(jié)果是否能直接使用于預(yù)應(yīng)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(dǎo)作為判斷依據(jù)，無法對結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(zāi)響應(yīng)的顯著影響缺少一定的研究；四是與普通混凝土相比，預(yù)應(yīng)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(yīng)開展的工作

　　(1)預(yù)應(yīng)力材料高溫性能研究。采用高強預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線是目前高效預(yù)應(yīng)力混凝土的一個主要特征，因此預(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(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。由于混凝土和鋼材本身化學(xué)成分的差異，在溫度影響下材料熱工、力學(xué)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(zāi))性能數(shù)據(jù)庫是火災(zāi)材料研究的一個重點。

　　(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)非線性溫度場計算基本方程和各類常用邊界條件，由此計算預(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)結(jié)構(gòu)火災(zāi)的計算機仿真試驗分析。一方面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗是最直接反應(yīng)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的手段，但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)通常都應(yīng)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(zāi)全過程的反應(yīng)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(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。筆者通過對有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架火災(zāi)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(yù)應(yīng)力框架火災(zāi)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(guān)，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(xué)性能離散性越大，另一方面，材料的高溫蠕變的相關(guān)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(zhǔn)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(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)時間和峰值強度、發(fā)生火災(zāi)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(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(zāi)的一個重要研究內(nèi)容。結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的可靠度分析也是對現(xiàn)有遭受過火災(zāi)的建筑物進行評估的一個重要方面。

　　(5)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計計算機模塊的研制。目前對特定結(jié)構(gòu)進行火災(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、概念清晰且簡易實用的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計計算機程序，并實現(xiàn)和現(xiàn)有通用結(jié)構(gòu)設(shè)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(guān)鍵。

　　參考文獻(xiàn)：
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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)及抗火性能研究[M].上海:同濟大學(xué)出版社，2000