預應力混凝土結構的研究論文
預應力混凝土結構的研究論文
摘要對預應力混凝土結構火災的研究現狀進行了綜述與分析，探討了預應力混凝土結構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效能入手，採用非線性有限元進行整體結構分析，逐步建立結構火災的可靠度方法，並指出結構火災的計算機模擬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模擬分析
據公安部消防局統計，2005年全國共發生火災235941起，死亡2496人，傷殘2506人，直接財產損失13.6億元。近年來，預應力混凝土結構已由早期的簡單構件發展為現今複雜的空間整體受力結構，以其大跨度、大空間、良好的結構整體效能以及有競爭力的綜合經濟效益，正逐步成為現代建築結構形式的發展趨勢，由於預應力混凝土結構的抗火效能劣於普通鋼筋混凝土結構，因此開展預應力混凝土結構的火災反應和抗火效能研究是非常有意義的。
1預應力混凝土結構火災研究的現狀
國外學者對結構抗火效能的研究開展較早，始於20個世紀初，併成立了許多抗火研究組織，比較有名的有美國建築火災研究實驗室、美國消防協會、美國的波特蘭水泥協會、美國預應力混凝土協會、英國的BRE(BuildingResearchEstablishment)。這些組織對建築結構的抗火效能進行了系統的研究，主要體現在對建築材料高溫下的力學效能；結構、構件火災下的升溫過程及溫度場的確定；火災條件下結構和構件的極限承載能力及耐火效能方面的研究，並編訂了相應的建築規範及行業規則。
國外預應力混凝土構件抗火效能的研究稍晚於鋼筋混凝土結構，主要工作始於20世紀70年代初期。儘管早期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，但其後一些學者的試驗和研究表明預應力混凝土構件在火的作用下仍具有較好的工作效能。
有關文獻介紹了美國進行的18個後張預應力混凝土板和梁的耐火試驗。在這些試驗構件中，預應力筋分為有粘結和無粘結兩種。在耐火試驗中，實測了時間與預應力筋溫度關係，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係。
Gustaferro等人在預應力混凝土抗火方面做了不少試驗研究，他們對有粘結預應力混凝土梁、預應力混凝土簡支板、預應力混凝土連續梁、板等結構或構件在不同情況下的抗火效能進行了試驗研究，並對預應力混凝土結構的抗火效能提出了合理的計算方法。他們透過對後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，試驗結果表明預應力混凝土能滿足結構的不同耐火等級，其耐火效能主要取決於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構的耐火效能具有明顯的影響，結構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，並且輕骨料預應力混凝土板的抗火效能好於普通預應力混凝土板。Joseph等進行了後張無粘結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件抗火效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件的抗火效能進行了試驗研究，Krishnamoorthy等人透過徐變和溫度對預應力混凝土框架效能的試驗研究得出了試驗結果，其中包括不均勻溫度對結構變形效能的影響及內應力和彎矩隨時間的變化。
國外根據預應力混凝土梁、板等方面的試驗研究結果，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瞭解。他們認為溫度是影響預應力混凝土結構蠕變效能的主要因素，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載入階段結構特性較滿意的方法。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。
國內抗火研究組織從20世紀80年代後期起著手進行鋼筋混凝土結構的抗火效能研究，但國內關於預應力混凝土抗火方面的試驗研究尚處於起步階段，缺乏足夠的試驗資料。國內規範中涉及預應力混凝土的抗火內容主要是參考國外經驗確定的，如《無粘結預應力混凝土結構技術規程》防火部分第三章第3.2.1條規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預應力混凝土保護層厚度的確定，主要取自美國《後張預應力混凝土手冊》。同濟大學對5榀相同尺寸的'單層無粘結預應力混凝土框架、3榀有粘結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、延伸率均表現出與常溫下不同的效能。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對於預應力混凝土結構，火災升溫速率和溫度越高，其抗火效能越差；在同一升溫條件下，預應力混凝土結構承受的荷載越大，其抗火效能越不利；③對於預應力框架結構，與普通混凝土結構框架試驗結果不同，荷載大小對抗火效能的影響可能要比溫度的影響明顯。預應力度大的結構受溫度影響大，抗火效能差。預應力筋的有效應力大的結構，其抗火效能比有效應力小的結構差。無粘結預應力混凝土結構的抗火效能比有粘結預應力混凝土結構的抗火效能差。火災後預應力混凝土結構的剛度明顯減小，但仍存在一定的承載力，並反映出較好的恢復效能。
2存在的問題
儘管國內在鋼筋混凝土結構抗火方面的研究工作已經取得長足進步，但在預應力混凝土結構火災效能方面的研究才剛剛起步。誠然，預應力混凝土結構的抗火效能與一般鋼筋混凝土結構在許多方面有相似性，但由於預應力混凝土結構自身的特性，這方面的研究還存在著許多問題，主要表現為以下方面：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件在標準火災下極限耐火時間為研究物件，主要考慮了截面內部溫度分佈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件的耐火效能，由於結構的相互作用，因此受火構件的熱變形將對其他構件產生影響，並存在較大的內力重分佈，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梁等火災的有關結果，而這些結果是否能直接使用於預應力混凝土結構尚缺乏試驗驗證；三是以往的分析方法僅以熱傳導作為判斷依據，無法對結構響應和損傷如位移、開裂、屈服等進行有效的判斷，特別是材料的高溫蠕變對結構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。
3今後應開展的工作
(1)預應力材料高溫效能研究。採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徵，因此預應力鋼絲和鋼絞線在高溫下的蠕變效能是預應力混凝土結構抗火效能研究的基本內容。必須要透過材料試驗研究高強鋼絲和鋼絞線在高溫下的強度、變形、彈性模量的變化規律，特別是鋼絲和鋼絞線的高溫蠕變效能對預應力混凝土結構的有效預應力的影響。此外要重視材料高溫(火災)效能資料庫的建立。由於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、力學效能有較大的離散性，如何對目前國內外進行的高溫材料試驗結果進行總結，並建立可供計算機程式呼叫的材料高溫(火災)效能資料庫是火災材料研究的一個重點。
(2)高溫下預應力整體結構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構溫度場分佈，並根據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。方程可用於分析預應力混凝土結構火災下的變形、內力變化及預應力筋的應力隨時間變化的過程，確定預應力結構火災反應的一些基本特徵。
(3)結構火災的計算機模擬試驗分析。一方面預應力混凝土結構火災試驗是最直接反應預應力混凝土結構抗火效能的手段，但預應力混凝土結構通常都應用於各類大跨度、大空間結構，由於試驗條件限制，無法進行足尺模型試驗，採用縮小比例的模型能基本反映火災全過程的反應規律，但仍然有一定的差距。另一方面，由於受試驗條件、試驗經費的限制，也無法進行大量的模型試驗。在進行模型試驗的同時，要研究如何採用計算機模擬試驗以避免上述限制。透過大量模擬試驗，瞭解不同形式預應力混凝土結構的抗火能力，並提出改善預應力混凝土結構抗火能力的方法。筆者透過對有粘結預應力框架火災位移的計算機模擬分析，可以得出如圖2所示的有粘結預應力框架火災下位移的實測值和計算機模擬分析結果的比較。由圖2可見，計算所得的位移變化規律與實測相符，但模擬分析得到的結構位移較實測要大，誤差最大時為40%。產生誤差的主要原因可能由於試件混凝土含水率偏高，造成計算溫度場高於實際溫度分佈，而結構的溫度變形及材料性質與溫度密切相關，從而產生結構計算誤差。並且溫度越高，材料的物理、力學效能離散性越大，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。總之模擬分析時的引數取值是否準確將影響分析結果，合理的引數取值依賴於可靠的實驗結果。
(4)結構火災反應的可靠度分析。由於火災發生的可能性、火災的持續時間和峰值強度、發生火災時結構承受的荷載等因素並不確定，材料在高溫下效能更趨於離散，上述因素均會影響結構的耐火效能。在無粘結預應力結構中，還存在錨固失效的可能性，以及結構區域性失效可能產生的整體失效等，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構火災的一個重要研究內容。結構火災下的可靠度分析也是對現有遭受過火災的建築物進行評估的一個重要方面。
(5)結構抗火設計計算機模組的研製。目前對特定結構進行火災全過程非線性有限元分析在理論上是可行的，但不免繁複的運算過程。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構抗火設計計算機程式，並實現和現有通用結構設計軟體進行介面是結構抗火試驗研究工程化的一個關鍵。
參考文獻
1AshtonLA.Thefire-resistanceofprestressedconcretefloors[J].CivilEngineeringandRublicworksReview，1951（46）
2GustaferroAH.Fireresistantofpost-tensionedstructures[J].TheJournalofthePCI，1973（18）
3華毅傑.預應力混凝土結構火災反應及抗火效能研究[M].上海:同濟大學出版社，2000