火灾对（预应力）混凝土结构力学性能的影响分析

2022-11-25王海东蒋亚龙邱摇

安徽建筑 2022年10期

王海东，蒋亚龙，邱摇

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601;2.安徽新华学院城市建设学院，安徽合肥 230088）

1 前言

随着社会经济的不断发展以及人们幸福水平的不断提升，人们对建筑物材料的要求也变得越来越高。一些新型建筑材料如预应力混凝土正因其跨度大、重量轻、节省建筑材料、充分利用建筑结构功能等突出优点，应用越来越广泛。预应力材料的出现，更新了土木行业的建筑材料，顺应了时代的发展趋势[1]。预应力混凝土的出现需要经过多个因素的考量，其中抗火性是考量因素之一。火灾是一种高风险的灾害，中国每年约有10 多万起建筑火灾，全球每年约有300多万起建筑火灾。火灾会使建筑物产生结构性破坏，其产生的高温对建筑材料的性能和属性有着非常重要的影响，且该过程为不可逆。在高温作用下，材料会因为高温产生开裂和爆炸，并失去其原有的结构性能[2]。当前，预应力混凝土的抗火性研究在国内外已经展开有相当一段时间了，且国外研究早于国内。相关研究机构和学者对混凝土结构的抗火能力进行了一系列研究和分析，主要分为以下几个方面：①预应力混凝土结构的建筑在火灾高温情况下发生的一系列材料性能的变化；②仿真模拟火灾发生时各个温度场的变化，以此来确定火灾时的温度场；③确定预应力混凝土结构在火灾（高温）下的承载能力以及抗火能力。尽管研究人员在反复试验中发现，火灾过程中的预应力混凝土会出现一些不可避免的问题，但在一些科研工作中也发现了其中相对较好的工作性能，仍能在建筑工程中得到应用。

20 世纪末开始，我国学者和专家开始对混凝土和预应力混凝土的抗火性能进行研究，建立的相关研究机构和重点实验室为火灾前的预防和火灾后的修复提供了重要的技术支撑和保障。但相关的研究较为简单，需要加大这方面的投入，并且要进一步系统化、多样化。

学者们对混凝土材料的抗火性能进行了相关的试验。将等量的混凝土和钢筋置于高温下，观察其强度、应力等实验变化，从高温环境中取出若干混凝土进行冷却，冷却后观察建筑材料的粘结程度，此外钢筋混凝土的耐火性也得到了精确的测试。在建筑材料耐火性能的研究中，研究人员主要研究了火灾后钢筋混凝土的抗压强度和屈服强度。本文就混凝土结构和预应力混凝土结构在火灾（高温）下的力学性能进行了对比和总结，普通混凝土和预应力混凝土的抗火性能研究对于保障居民的生命和财产安全、火灾后的修复具有十分重要的意义。

2 火灾对混凝土结构和预应力混凝土影响机制区别

2.1 混凝土影响机理

当前，施工单位所用材料最常见的是混凝土。它是以水泥为胶凝材料，砂、石等粗细骨料按一定比例混合，加水搅拌，适当振捣养护而成的非均质复合材料。它是一种由固、液、气三相组合而成的复杂结构[3]。降低混凝土在高温下的强度和变形性能的机理主要归结为三点：由于混凝土内部含有自由水,当温度达到100℃，内部的水分会发生蒸发,内部会逐渐形成空洞和裂缝,材料界面形成裂纹的另一个重要原因就是砂石等粗骨料和泥浆的热工性不同在受热时会发生变形差和内应力。500℃大脱水后水泥中材料凝胶、氢氧化钙等水合物的收缩效果，会导致水泥密度降低，甚至破坏结构，粗骨料本身的性质就是受热易膨胀并极易发生破裂，从而导致混凝土的强度降低。当温度越来越高时，混凝土成分中的胶凝材料会出现分解和结构裂缝的延伸，最后积累变得越来越严重，从而使其混凝土强度大大降低[4]。

2.2 钢筋影响机理

火灾和高温对钢材的影响主要来自以下几个方面：原子初始热振荡的放大和传播伴随着高温使钢材发生了软化，这在某种程度上弱化了钢筋硬化所带来的影响；降低原子在高温下的结合力，增加滑动变形，降低滑动阻力；当温度高于1400℃时，钢将进入液态，并失去抗载荷能力。因此，耐火性对冷处理钢筋的影响较大，此外高温对钢材的影响也与钢材的品种及其生产工艺有关。

2.3 预应力钢筋混凝土影响机理

预应力钢筋的预应力易发生损失，在高温环境中预应力钢筋中的预应力会发生较大的损失，所以其强度相比于普通钢筋强度下降得更快。当温度过高或者过低时，预应力钢筋的应变会因热膨胀和冷缩而发生变化。对于高温环境下的预应力钢筋，拉伸应变与温度升高的比值不再是线性的，这是因为高温作用也会改变预应力钢筋的弹性模量，当预应力钢筋处于高于常温应力状态时，会导致蠕变的快速上升，加剧钢材在高温下的松弛，导致预应力混凝土构件中预应力的进一步损失和减少[5]。预应力钢筋高温性能的研究主要为以下方面：①强度，即温度对预应力钢筋名义屈服强度和极限强度的影响；②变形，包括不同温度下的弹性模量、自由线膨胀、蠕变等。

2.4 混凝土和钢筋之间的影响机理

钢筋与混凝土之间粘结作用主要由胶结作用、摩擦力和机械咬合作用三部分组成，在相对较低温度作用下，因为钢筋和混凝土之间的热膨胀相差较大，并且在100℃附近混凝土内部会因为失水而造成体积的相对收缩，两者之间的摩擦力和咬合作用会比常温时增大,其粘结强度会出现小范围的波动，有可能还会有所提高。而在相对较高的高温作用下，混凝土和钢筋的粘结强度下降的原因：当温度在500℃上下波动时，其内部的结晶水会脱去并进一步加大体积的收缩,此时摩擦力和咬合作用也会进一步增大，导致混凝土过早开裂。高温后混凝土会因为之前失去结晶水从而吸水膨胀，会使混凝土的强度降低，钢筋反而会紧缩，导致摩擦力和咬合作用都相应减小,最终导致两者的粘结力进一步下降。

3 高温下混凝土结构与预应力混凝土结构力学性能区别

3.1 高温下普通混凝土力学性能

混凝土在高温下的力学性能指标主要是指抗压强度、抗拉强度、弹性模量、应力应变关系等。对于抗压强度国内外研究比较多，结论如下：当温度逐渐升高在300℃附近时，在这期间混凝土的抗压强度受温度因素的影响不明显，但是一旦温度高出300℃时，会打破其支撑，温度再继续上升，此时抗压强度和温度成负相关[6]。所以说高温后的普通混凝土的抗压强度与所能经受得住的最高恒温有非常大的关联，当最高恒温时长不断拉长，此时混凝土的抗压强度会越来越小。此外混凝土抗拉强度随火灾温度的升高而降低。在试验中，对于高温混凝土的抗压试验值，抗压强度低的混凝土的抗拉强度降低较少，这意味着混凝土材料的配合比对混凝土的抗拉强度有一定影响，不可忽视，初始时混凝土设计强度越大，抗压强度在高温环境中的应力损失也会越大，但是抗拉强度在同等高温环境中应力损失会越小，到最后两者都会趋于稳定的数值，即破坏前的数值。混凝土的抗拉强度远小于抗压强度，但影响到抗压强度的那些因素也会影响到抗拉强度[7]。对于弹性模量，国内外的研究一致表明，普通混凝土的弹性模量与温度的关系成负相关[8]。

3.2 高温下钢筋的力学性能

根据国内外大量试验研究，当温度升高时，钢筋的抗拉强度和屈服强度都会降低，但在一定温度范围内，强度降低的方式不同。具体表现：对于钢筋强度，当温度在300℃附近波动，热轧钢筋会出现疲软现象，此时,其屈服强度会略微有所下降，当温度在此基础上继续上升时，钢筋的强度有明显下降的倾向。在600℃的温度下，钢筋的屈服强度是常温下获得的数值的1/2。当冷拔钢丝和钢铰钢丝的温度超过150℃时，其内部结构破坏导致失去了其支撑，钢丝的极限强度会陡然下降。当温度达到450℃附近时，极限强度损失约为整体结构的60%。对于高强度合金钢筋，在200～300℃的温度范围内上下波动，其屈服强度和极限强度会出现先升高后降低的一种力学现象[8]。

3.3 高温下预应力钢筋混凝土力学性能

研究结果表明，高温冷却后预应力混凝土受弯构件的开裂弯矩降低幅度较大。当温度在400℃上下波动时，会下降到常温时的1/2 左右，700℃时只有常温时的1/5 左右。试验梁的屈服弯矩在400℃以前变化不大，随温度上升到400℃以后，其失去支撑导致下降幅度加快，在700℃屈服弯矩为常温时的65%,其总趋势是开裂弯矩和屈服弯矩都随温度升高而降低。

预应力结构的耐火性能与普通钢筋混凝土结构相似。一般来说，预应力钢筋的强度下降速度比普通钢筋快，预应力结构的力学性能比普通混凝土结构差。但是，预应力结构在抗压时能更好地保护内部的钢筋，原因是预应力板的截面裂缝比普通混凝土板开裂较晚。