混凝土及预应力混凝土结构抗火研究现状与展望

余华

摘   要：在对混凝土及预应力混凝土两种材料的研究过程中，着重对其抗火能力进行了深入的研究和分析，论述了不同国家对于混凝土抗火能力的研究现状，详细论述了针对这种材料的先进修复技术，并且在论述中也提出了这种材料在火灾中应用会产生的某些问题，对这种材料的未来发展前景进行论述。根据大量的研究分析结果得知，混凝土在火灾中受到高温爆裂的界点是根据强度的改变而发生变化的，不同种类的混凝土在火灾中爆裂点也不同，所以在研究混凝土及预应力混凝土结构过程中，应当考虑以下几点：高温下不爆裂、高温下不易倒塌、火灾过后容易修复等因素。

关键词：钢筋混凝土;预应力混凝土;爆裂;抗火性能

火灾的发生频率很高[1-2]，研究表明，我国每年发生的火灾事件超过15万件，全球建筑起火事件是中国的24倍左右，因火灾损毁的建筑物不计其数。举例来说，2003年，我国湖南发生的一起大厦起火事件不仅导致大厦坍塌，20几名消防官兵也在救火的过程中失去了生命。高温对建材的性能以及结构等具有非常重要的影响。在高温的作用下，材料可能会因高温产生爆裂。目前，混凝土及预应力混凝土结构在火灾中的影响受到了全世界的关注和研究。本文将介绍火灾发生之后混凝土结构如何修复等先进技术，调整和改善目前混凝土在抗火能力中仍旧存在的不足之处，并对未来进行设想。

1    国外预应力混凝土结构火灾研究的现状

随着经济社会的发展，全球的经济产业正在迅猛发展，但是各类建筑以及桥梁的火灾事故却频繁发生，给社会以及人民的生命财产安全等带来了巨大的损失和危害。严重的火灾可能造成建材结构坍塌、爆裂等一系列的严重影响，为了尽量避免这样的损失，国内外的专家学者开始了一系列的研究。

对于预应力混凝土抗火能力的研究，国外的开始时间要早于中国，20世纪初期就已经进入研究领域并且成立了很多专门的研究组织，其中，以美、英两国较为著名，例如波特兰水泥协会。这些研究组织针对建筑结构的抗火能力进行了一系列科学、合理的研究和分析，主要分为以下几个方面：（1）建材在火灾产生的高温中力学性能的研究。（2）火灾发生过程中温度场的确定。（3）确定建筑材料在高温中的承载能力以及抗火能力的研究，并且在研究取得一定成果之后编写了较为详细的建筑规范准则以及行业条文。在研究钢筋混凝土的抗火能力50年之后，国外组织开始了对预应力混凝土结构的抗火能力的研究。虽然国外科研专家在反复的试验过程中发现预应力混凝土在火灾的发生过程中依旧存在某些不可避免的问题，但是在某些学者的研究中也发现了另外较为优秀的工作性能，依旧可以应用于建筑的使用过程[3-6]。

2    国内预应力混凝土结构火灾研究的现状

建材结构抗火能力的研究在我国起步的时间稍晚，自20世纪80年代开始，我国的学者和专家才开始进行系统的研究和分析。针对此研究参与进来的大学主要有清华大学、同济大学以及其他较为著名的大学。同时，我国也建立了很多关于火灾的研究机构，举例来说，我国公安部下属的几大消防研究所曾在防火技术、高空排烟技术、阻燃技术等领域产生了重大的突破，取得了非常重要的研究成果，為我国消防、火灾方面提供了重要的技术支撑，减少了很多财产损失和人员伤亡。

同济大学对于建材抗火性能的研究始于20世纪80年代，陆州导对其进行了系统的实验，将同等数量的混凝土以及钢筋置放在高温中，观察两者的强度、应力以及其他实验数据的变化，并且将几十根混凝土从高温环境中移出并对其进行冷却处理，观察冷却后建材的黏连程度，还对钢筋混凝土的抗火能力进行精密的实验。肖建庄在对建材抗火能力的研究中主要研究了钢筋混凝土在火灾后的抗压能力、剪刀墙以及板架等的对抗火灾的能力。

清华大学主要研究了建筑结构对于火灾的抗火能力。主要包括以下几个方面：（1）混凝土等材料在火灾中抵抗高温的能力;（2）钢筋混凝土连接房梁、框架等的实验。南建林 主要研究的方向是混凝土在温度以及应力在耦合产生作用力的情况下出现的力学性能，在研究之后还构建了完善的混凝土在火灾过程中温度—应力耦合的本构联系。吕彤光则是对建筑中常用的几种具有不同性能的钢筋进行了对比分析。

3    存在的问题

虽然我国各个机构对于建材在抗火能力方面的研究预分析得到了较为显著的成果，但是对于预应力混凝土在地域火灾能力方面的探讨处于萌芽状态，还没有进行深入的分析和研究。虽然它与钢筋混凝土在防火能力方面具有很多相似性，但两者毕竟不是属于同一种建材，而且预应力混凝土自身也具有独特的特征，所以在这方面的研究中我国的各个机构仍需要继续努力。目前，我国在这方面的研究过程中存在几点问题：（1）全球的专家学者在研究的过程中将注意力重点放在了预应力混凝土在普通火灾发生过程中耐火的最高临界点，考虑的是建材横截面内部的温度分布以及火灾发生中温度逐渐升高对于钢筋强度是否存在影响，以及能够产生怎样的影响。（2）在通常的实验研究过程中，重点研究的是预应力混凝土地域火灾的能力，但是因为结构之间彼此影响，所以建材受热产生形状的变化可能会对其他的构件产生破坏的作用，针对此问题目前并无系统的研究给予详细的说明和解决办法。（3）传统的实验操作中将热传导作为实验的理论依据，并不能对火灾中建材的损伤以及结构变化等进行有效和正确的分析，尤其是材料在高温下产生的蠕变对火灾的影响缺乏相应的理论支持。（4）预应力混凝土与其他的混凝土相比较具有很多特殊性，但是在以前的各个实验中并没有对其进行充分的研究。

4    火灾后混凝土结构加固修复技术

混凝土结构在火灾后的危险其实要远高于火灾中的危险。所以对火灾发生过后的损伤判定则成为首要的需要。吴波[7]根据火灾发生的荷载密度、通风状况等因素的影响构建了简明有效的室内火灾过程中温度上升的计算方式，对于工程中的应用提供了有效的方式。吴波、郑文忠等[8-9]先后对混凝土在承受高温过程中的力学进行了反复的实验和分析，得出了掺纤维HSC、RPC在火灾发生过程中温度与损伤的紧密联系。吴波构建了建材内部构建最高温度场的计算方式，得出了包括环向约束高强混凝等有关的力学性能，让火灾中受到高温挤压的混凝土比没有受到约束的混凝土得到超过20%的作用，并且在反复的实验中对受到轻微损害的结构，大胆提出了承受超过500 ℃的混凝土有效修复的技术，还构建了建材在承受火灾之后的抗震恢复力模型，达到了火灾发生过后判定混凝土损伤程度的目的，得到了较为显著的效果。我国其他各个研究所也在不断的实验中得到了丰富的理论与结果，为研究火灾对混凝土的损伤判断给予强有力的理论支撑。

5    研究结论

（1）火灾发生过程中产生的高温会对混凝土进行挤压，可能出现爆裂的情况，造成力学减退的情况，与此同时，力学性能还受到构成混凝土的成分以及火灾温度上升速度的影响。

（2）在通常的实验过程中，多采取标准升温曲线，但是这种曲线与实际发生的火灾相比具有明显的差异，所以专家和学者在研究的过程中应当重视实际火灾发生中混凝土抵抗高温的能力。但是由于实验无法完全模拟真实的火灾场景，所以用于实验的预应力混凝土等抗火能力数据偏小，所以必须加强实验强度。

（3）在实验过程中对于混凝土等的设计目标应当满足以下几方面：在火灾发生过程中不倒塌、不爆裂，并且能够在灾后进行修复，进行二次使用。

（4）处于建筑高层的混凝土以及地下的结构空间可以根据建筑用地进行充分的利用，高层混凝土在发生火灾时火势过大且蔓延的速度极快。而地下空间承受高温的最高限度一般是4 h，远超地上结构构件的承受时间。所以要针对两种不同的情况对火灾环境以及发生火灾之后的反应速度等进行仔细研究和分析，不断提升建筑整体抗火的能力。

6    发展前景

本文研究的形式还存在不足之处，仅列举了一些研究的成果和方面，所列举的实验结果可能也存在单一性，不能完全概括所有的火灾情况，所以希望未来专家学者在研究的过程中能够从以下几方面进行补充：（1）研究对象可以具有多元化;（2）在混凝土结构中加入更丰富的防火材料，增加抵御火灾的能力;（3）能够重点观察火灾发生过程或者重点研究对于预应力的变化情况。

7    结语

总结了国内外对于预应力混凝土的研究现状、在研究中出现的问题以及目前比较先进的研究技术，并且展望了未来我國在研究混凝土的实验方向。我国虽然在建筑结构抵御火灾能力方面取得了一些进展，但是也不可避免地遇到了一些问题，我国与国外的研究也存在较大的差距，比如研究的内容过于简单、缺乏全面性、研究的机构规模不大、实验器材不够先进等问题。所以我国必须加强这方面的投入和支持，对于一些重点项目进行资金和技术的支撑，保证实验顺利进行，取得重要的理论成果。

[参考文献]

[1]吴   波，唐贵和.近年来混凝土结构抗火研究进展[J].建筑结构学报，2010，31（6）：110-121.

[2]郑文忠，闫   凯，王   英.预应力混凝土结构抗火研究进展[J].建筑结构学报，2011，32（12）：52-61.

[3]邵庆辉，古国榜，章丽娟，等.纳米材料合成与制备进展研究[J].兵器材料科学与工程，2002（4）：59-63.

[4]杜仕国，施冬梅，韩其文.纳米颗粒的液相合成技术[J].粉末冶金技术，2000（1）：46-50.

[5]方   云，杨澄宇，陈明清，等.纳米技术与纳米材料简介[J].日用化学工业，2003（1）：55-60.

[6]杨鼎宜.纳米材料的结构性能特征及其在建筑中的应用[J].建筑技术开发，2003（2）：42-46.

[7]吴   波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能[M].北京：科学出版社，2003.

[8]郑文忠，李海艳，王   英.高温后不同聚丙烯纤维掺量的活性粉末混凝土力学性能试验研究[J].建筑结构学报，2012，33（9）：119-126.

[9]侯晓萌，郑文忠，孙洪宇.火灾作用下锚具对预应力钢棒锚固性能退化规律研究[J].建筑结构学报，2014，35（3）：110-118.