摘要：对预应力混凝土结构火灾的研究现状进行了综述与分析，探讨了预应力混凝土结构火灾研究中存在的主要问题。建议进一步研究应从预应力材料的高温蠕变性能入手，采用非线性有限元进行整体结构分析，逐步建立结构火灾的可靠度方法，并指出结构火灾的计算机仿真分析是一种重要的试验方法。
关键词：预应力混凝土火灾可靠度仿真分析
近年来，预应力混凝土结构已由早期的简单构件发展为现今复杂的空间整体受力结构，以其大跨度、大空间、良好的结构整体性能以及有竞争力的综合经济效益，正逐步成为现代建筑结构形式的发展趋势，由于预应力混凝土结构的抗火性能劣于普通钢筋混凝土结构，因此开展预应力混凝土结构的火灾反应和抗火性能研究是非常有意义的。
1预应力混凝土结构火灾研究的现状
国外学者对结构抗火性能的研究开展较早，始于20个世纪初，并成立了许多抗火研究组织，比较有名的有美国建筑火灾研究实验室、美国消防协会、美国的波特兰水泥协会、美国预应力混凝土协会、英国的BRE(BuildingResearchEstablishment)。这些组织对建筑结构的抗火性能进行了系统的研究，主要体现在对建筑材料高温下的力学性能；结构、构件火灾下的升温过程及温度场的确定；火灾条件下结构和构件的极限承载能力及耐火性能方面的研究，并编订了相应的建筑规范及行业规则。
有关文献介绍了美国进行的18个后张预应力混凝土板和梁的耐火试验。在这些试验构件中，预应力筋分为有粘结和无粘结两种。在耐火试验中，实测了时间与预应力筋温度关系，典型的时间-温度曲线如图1所示。在图中还可以看出不同保护层厚度与耐火时间的关系。
Gustaferro等人在预应力混凝土抗火方面做了不少试验研究，他们对有粘结预应力混凝土梁、预应力混凝土简支板、预应力混凝土连续梁、板等结构或构件在不同情况下的抗火性能进行了试验研究，并对预应力混凝土结构的抗火性能提出了合理的计算方法。他们通过对后张预应力混凝土梁和板的抗火试验，得出在1，2，3，4小时的抗火等级下的保护层厚度和构件最小尺寸的建议值。Ashton等人与Gustaferro同期也进行了一系列相应的预应力梁抗火试验研究，包括不同比例试件的耐火极限试验的对比，试验结果表明预应力混凝土能满足结构的不同耐火等级，其耐火性能主要取决于其预应力筋在火灾中所达到的温度，因此预应力筋的保护层厚度和梁的截面形式对预应力混凝土结构的耐火性能具有明显的影响，结构在火灾下的承载力随混凝土的保护层厚度增加和荷载减少而提高，并且轻骨料预应力混凝土板的抗火性能好于普通预应力混凝土板。Joseph等进行了后张无粘结预应力混凝土板的试验研究，试验着重研究了预应力钢筋保护层厚度对构件抗火性能的影响同时研究了荷载和端部约束情况的影响、辅助钢筋的作用等问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆Abrams等人对不同骨料和喷有隔离层的预应力混凝土构件的抗火性能进行了试验研究，Krishnamoorthy等人通过徐变和温度对预应力混凝土框架性能的试验研究得出了试验结果，其中包括不均匀温度对结构变形性能的影响及内应力和弯矩随时间的变化。
国外根据预应力混凝土梁、板等方面的试验研究结果，已对预应力混凝土在火灾作用下的承载力及极限耐火时间有了较全面的了解。他们认为温度是影响预应力混凝土结构蠕变性能的主要因素，要建立合理的分析方法必须考虑混凝土温度蠕变特性，弹性理论已不适用，蠕变率的分析方法被认为是预测整个加载阶段结构特性较满意的方法。他们的试验研究为预应力混凝土抗火设计提供了直接依据。
2存在的问题
尽管国内在钢筋混凝土结构抗火方面的研究工作已经取得长足进步，但在预应力混凝土结构火灾性能方面的研究才刚刚起步。诚然，预应力混凝土结构的抗火性能与一般钢筋混凝土结构在许多方面有相似性，但由于预应力混凝土结构自身的特性，这方面的研究还存在着许多问题，主要表现为以下方面：一是到目前为止各国学者所进行的试验及研究，基本上是以预应力混凝土简支构件在标准火灾下极限耐火时间为研究对象，主要考虑了截面内部温度分布及升温对预应力钢筋强度的影响等因素；二是以往试验主要研究预应力混凝土构件的耐火性能，由于结构的相互作用，因此受火构件的热变形将对其他构件产生影响，并存在较大的内力重分布，目前尚无专门研究，一般的解决办法是直接引用普通钢筋混凝土连续梁等火灾的有关结果，而这些结果是否能直接使用于预应力混凝土结构尚缺乏试验验证；三是以往的分析方法仅以热传导作为判断依据，无法对结构响应和损伤如位移、开裂、屈服等进行有效的判断，特别是材料的高温蠕变对结构火灾响应的显著影响缺少一定的研究；四是与普通混凝土相比，预应力混凝土具有许多特殊性，而以往的试验研究较少涉及。
3今后应开展的工作
(1)预应力材料高温性能研究。采用高强预应力钢丝和钢绞线是目前高效预应力混凝土的一个主要特征，因此预应力钢丝和钢绞线在高温下的蠕变性能是预应力混凝土结构抗火性能研究的基本内容。必须要通过材料试验研究高强钢丝和钢绞线在高温下的强度、变形、弹性模量的变化规律，特别是钢丝和钢绞线的高温蠕变性能对预应力混凝土结构的有效预应力的影响。此外要重视材料高温(火灾)性能数据库的建立。由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度影响下材料热工、力学性能有较大的离散性，如何对目前国内外进行的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程序调用的材料高温(火灾)性能数据库是火灾材料研究的一个重点。
(2)高温下预应力整体结构的非线性有限元分析。拟用传热学的基本原理，得到差分-有限元瞬态非线性温度场计算基本方程和各类常用边界条件，由此计算预应力混凝土结构温度场分布，并根据热弹塑性基本理论建立预应力混凝土火灾反应的非线性有限元分析基本方程。方程可用于分析预应力混凝土结构火灾下的变形、内力变化及预应力筋的应力随时间变化的过程，确定预应力结构火灾反应的一些基本特征。
(3)结构抗火设计计算机模块的研制。目前对特定结构进行火灾全过程非线性有限元分析在理论上是可行的，但不免繁复的运算过程。因此有必要编制具有工程准确度的、概念清晰且简易实用的结构抗火设计计算机程序，并实现和现有通用结构设计软件进行接口是结构抗火试验研究工程化的一个关键。
论文作者:张海军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/17
标签：预应力论文; 火灾论文; 混凝土论文; 火性论文; 结构论文; 混凝土结构论文; 构件论文; 《基层建设》2018年第29期论文;