混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀與展望

余華

摘? ?要：在對混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土兩種材料的研究過程中，著重對其抗火能力進(jìn)行了深入的研究和分析，論述了不同國家對于混凝土抗火能力的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了針對這種材料的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，并且在論述中也提出了這種材料在火災(zāi)中應(yīng)用會產(chǎn)生的某些問題，對這種材料的未來發(fā)展前景進(jìn)行論述。根據(jù)大量的研究分析結(jié)果得知，混凝土在火災(zāi)中受到高溫爆裂的界點是根據(jù)強度的改變而發(fā)生變化的，不同種類的混凝土在火災(zāi)中爆裂點也不同，所以在研究混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)過程中，應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點：高溫下不爆裂、高溫下不易倒塌、火災(zāi)過后容易修復(fù)等因素。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;預(yù)應(yīng)力混凝土;爆裂;抗火性能

火災(zāi)的發(fā)生頻率很高[1-2]，研究表明，我國每年發(fā)生的火災(zāi)事件超過15萬件，全球建筑起火事件是中國的24倍左右，因火災(zāi)損毀的建筑物不計其數(shù)。舉例來說，2003年，我國湖南發(fā)生的一起大廈起火事件不僅導(dǎo)致大廈坍塌，20幾名消防官兵也在救火的過程中失去了生命。高溫對建材的性能以及結(jié)構(gòu)等具有非常重要的影響。在高溫的作用下，材料可能會因高溫產(chǎn)生爆裂。目前，混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的影響受到了全世界的關(guān)注和研究。本文將介紹火災(zāi)發(fā)生之后混凝土結(jié)構(gòu)如何修復(fù)等先進(jìn)技術(shù)，調(diào)整和改善目前混凝土在抗火能力中仍舊存在的不足之處，并對未來進(jìn)行設(shè)想。

1? ? 國外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究的現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，全球的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)正在迅猛發(fā)展，但是各類建筑以及橋梁的火災(zāi)事故卻頻繁發(fā)生，給社會以及人民的生命財產(chǎn)安全等帶來了巨大的損失和危害。嚴(yán)重的火災(zāi)可能造成建材結(jié)構(gòu)坍塌、爆裂等一系列的嚴(yán)重影響，為了盡量避免這樣的損失，國內(nèi)外的專家學(xué)者開始了一系列的研究。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土抗火能力的研究，國外的開始時間要早于中國，20世紀(jì)初期就已經(jīng)進(jìn)入研究領(lǐng)域并且成立了很多專門的研究組織，其中，以美、英兩國較為著名，例如波特蘭水泥協(xié)會。這些研究組織針對建筑結(jié)構(gòu)的抗火能力進(jìn)行了一系列科學(xué)、合理的研究和分析，主要分為以下幾個方面：（1）建材在火災(zāi)產(chǎn)生的高溫中力學(xué)性能的研究。（2）火災(zāi)發(fā)生過程中溫度場的確定。（3）確定建筑材料在高溫中的承載能力以及抗火能力的研究，并且在研究取得一定成果之后編寫了較為詳細(xì)的建筑規(guī)范準(zhǔn)則以及行業(yè)條文。在研究鋼筋混凝土的抗火能力50年之后，國外組織開始了對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗火能力的研究。雖然國外科研專家在反復(fù)的試驗過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土在火災(zāi)的發(fā)生過程中依舊存在某些不可避免的問題，但是在某些學(xué)者的研究中也發(fā)現(xiàn)了另外較為優(yōu)秀的工作性能，依舊可以應(yīng)用于建筑的使用過程[3-6]。

2? ? 國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)研究的現(xiàn)狀

建材結(jié)構(gòu)抗火能力的研究在我國起步的時間稍晚，自20世紀(jì)80年代開始，我國的學(xué)者和專家才開始進(jìn)行系統(tǒng)的研究和分析。針對此研究參與進(jìn)來的大學(xué)主要有清華大學(xué)、同濟大學(xué)以及其他較為著名的大學(xué)。同時，我國也建立了很多關(guān)于火災(zāi)的研究機構(gòu)，舉例來說，我國公安部下屬的幾大消防研究所曾在防火技術(shù)、高空排煙技術(shù)、阻燃技術(shù)等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大的突破，取得了非常重要的研究成果，為我國消防、火災(zāi)方面提供了重要的技術(shù)支撐，減少了很多財產(chǎn)損失和人員傷亡。

同濟大學(xué)對于建材抗火性能的研究始于20世紀(jì)80年代，陸州導(dǎo)對其進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗，將同等數(shù)量的混凝土以及鋼筋置放在高溫中，觀察兩者的強度、應(yīng)力以及其他實驗數(shù)據(jù)的變化，并且將幾十根混凝土從高溫環(huán)境中移出并對其進(jìn)行冷卻處理，觀察冷卻后建材的黏連程度，還對鋼筋混凝土的抗火能力進(jìn)行精密的實驗。肖建莊在對建材抗火能力的研究中主要研究了鋼筋混凝土在火災(zāi)后的抗壓能力、剪刀墻以及板架等的對抗火災(zāi)的能力。

清華大學(xué)主要研究了建筑結(jié)構(gòu)對于火災(zāi)的抗火能力。主要包括以下幾個方面：（1）混凝土等材料在火災(zāi)中抵抗高溫的能力;（2）鋼筋混凝土連接房梁、框架等的實驗。南建林 主要研究的方向是混凝土在溫度以及應(yīng)力在耦合產(chǎn)生作用力的情況下出現(xiàn)的力學(xué)性能，在研究之后還構(gòu)建了完善的混凝土在火災(zāi)過程中溫度—應(yīng)力耦合的本構(gòu)聯(lián)系。呂彤光則是對建筑中常用的幾種具有不同性能的鋼筋進(jìn)行了對比分析。

3? ? 存在的問題

雖然我國各個機構(gòu)對于建材在抗火能力方面的研究預(yù)分析得到了較為顯著的成果，但是對于預(yù)應(yīng)力混凝土在地域火災(zāi)能力方面的探討處于萌芽狀態(tài)，還沒有進(jìn)行深入的分析和研究。雖然它與鋼筋混凝土在防火能力方面具有很多相似性，但兩者畢竟不是屬于同一種建材，而且預(yù)應(yīng)力混凝土自身也具有獨特的特征，所以在這方面的研究中我國的各個機構(gòu)仍需要繼續(xù)努力。目前，我國在這方面的研究過程中存在幾點問題：（1）全球的專家學(xué)者在研究的過程中將注意力重點放在了預(yù)應(yīng)力混凝土在普通火災(zāi)發(fā)生過程中耐火的最高臨界點，考慮的是建材橫截面內(nèi)部的溫度分布以及火災(zāi)發(fā)生中溫度逐漸升高對于鋼筋強度是否存在影響，以及能夠產(chǎn)生怎樣的影響。（2）在通常的實驗研究過程中，重點研究的是預(yù)應(yīng)力混凝土地域火災(zāi)的能力，但是因為結(jié)構(gòu)之間彼此影響，所以建材受熱產(chǎn)生形狀的變化可能會對其他的構(gòu)件產(chǎn)生破壞的作用，針對此問題目前并無系統(tǒng)的研究給予詳細(xì)的說明和解決辦法。（3）傳統(tǒng)的實驗操作中將熱傳導(dǎo)作為實驗的理論依據(jù)，并不能對火災(zāi)中建材的損傷以及結(jié)構(gòu)變化等進(jìn)行有效和正確的分析，尤其是材料在高溫下產(chǎn)生的蠕變對火災(zāi)的影響缺乏相應(yīng)的理論支持。（4）預(yù)應(yīng)力混凝土與其他的混凝土相比較具有很多特殊性，但是在以前的各個實驗中并沒有對其進(jìn)行充分的研究。

4? ? 火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的危險其實要遠(yuǎn)高于火災(zāi)中的危險。所以對火災(zāi)發(fā)生過后的損傷判定則成為首要的需要。吳波[7]根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的荷載密度、通風(fēng)狀況等因素的影響構(gòu)建了簡明有效的室內(nèi)火災(zāi)過程中溫度上升的計算方式，對于工程中的應(yīng)用提供了有效的方式。吳波、鄭文忠等[8-9]先后對混凝土在承受高溫過程中的力學(xué)進(jìn)行了反復(fù)的實驗和分析，得出了摻纖維HSC、RPC在火災(zāi)發(fā)生過程中溫度與損傷的緊密聯(lián)系。吳波構(gòu)建了建材內(nèi)部構(gòu)建最高溫度場的計算方式，得出了包括環(huán)向約束高強混凝等有關(guān)的力學(xué)性能，讓火災(zāi)中受到高溫擠壓的混凝土比沒有受到約束的混凝土得到超過20%的作用，并且在反復(fù)的實驗中對受到輕微損害的結(jié)構(gòu)，大膽提出了承受超過500 ℃的混凝土有效修復(fù)的技術(shù)，還構(gòu)建了建材在承受火災(zāi)之后的抗震恢復(fù)力模型，達(dá)到了火災(zāi)發(fā)生過后判定混凝土損傷程度的目的，得到了較為顯著的效果。我國其他各個研究所也在不斷的實驗中得到了豐富的理論與結(jié)果，為研究火災(zāi)對混凝土的損傷判斷給予強有力的理論支撐。

5? ? 研究結(jié)論

（1）火災(zāi)發(fā)生過程中產(chǎn)生的高溫會對混凝土進(jìn)行擠壓，可能出現(xiàn)爆裂的情況，造成力學(xué)減退的情況，與此同時，力學(xué)性能還受到構(gòu)成混凝土的成分以及火災(zāi)溫度上升速度的影響。

（2）在通常的實驗過程中，多采取標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，但是這種曲線與實際發(fā)生的火災(zāi)相比具有明顯的差異，所以專家和學(xué)者在研究的過程中應(yīng)當(dāng)重視實際火災(zāi)發(fā)生中混凝土抵抗高溫的能力。但是由于實驗無法完全模擬真實的火災(zāi)場景，所以用于實驗的預(yù)應(yīng)力混凝土等抗火能力數(shù)據(jù)偏小，所以必須加強實驗強度。

（3）在實驗過程中對于混凝土等的設(shè)計目標(biāo)應(yīng)當(dāng)滿足以下幾方面：在火災(zāi)發(fā)生過程中不倒塌、不爆裂，并且能夠在災(zāi)后進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)行二次使用。

（4）處于建筑高層的混凝土以及地下的結(jié)構(gòu)空間可以根據(jù)建筑用地進(jìn)行充分的利用，高層混凝土在發(fā)生火災(zāi)時火勢過大且蔓延的速度極快。而地下空間承受高溫的最高限度一般是4 h，遠(yuǎn)超地上結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承受時間。所以要針對兩種不同的情況對火災(zāi)環(huán)境以及發(fā)生火災(zāi)之后的反應(yīng)速度等進(jìn)行仔細(xì)研究和分析，不斷提升建筑整體抗火的能力。

6? ? 發(fā)展前景

本文研究的形式還存在不足之處，僅列舉了一些研究的成果和方面，所列舉的實驗結(jié)果可能也存在單一性，不能完全概括所有的火災(zāi)情況，所以希望未來專家學(xué)者在研究的過程中能夠從以下幾方面進(jìn)行補充：（1）研究對象可以具有多元化;（2）在混凝土結(jié)構(gòu)中加入更豐富的防火材料，增加抵御火災(zāi)的能力;（3）能夠重點觀察火災(zāi)發(fā)生過程或者重點研究對于預(yù)應(yīng)力的變化情況。

7? ? 結(jié)語

總結(jié)了國內(nèi)外對于預(yù)應(yīng)力混凝土的研究現(xiàn)狀、在研究中出現(xiàn)的問題以及目前比較先進(jìn)的研究技術(shù)，并且展望了未來我國在研究混凝土的實驗方向。我國雖然在建筑結(jié)構(gòu)抵御火災(zāi)能力方面取得了一些進(jìn)展，但是也不可避免地遇到了一些問題，我國與國外的研究也存在較大的差距，比如研究的內(nèi)容過于簡單、缺乏全面性、研究的機構(gòu)規(guī)模不大、實驗器材不夠先進(jìn)等問題。所以我國必須加強這方面的投入和支持，對于一些重點項目進(jìn)行資金和技術(shù)的支撐，保證實驗順利進(jìn)行，取得重要的理論成果。

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