预应力混凝土结构抗火性能分析及思考

材料、抗裂度好等优点在我国建筑工程中得以广泛应用，尤其在一些大跨度、高耸及重荷载作用的结构中较常见。但由于预应力混凝土结构在火灾下的力学行为表现复杂，预应力混凝土结构的建筑缺乏有效的抗火设计，加之自身材料耐火性能差等因素导致预应力混凝土结构抗火能力较差。

目前有关钢结构的耐火问题已经引起高度重视，但由于我们普遍认为混凝土结构耐火性能好，往往会对其在火灾中的安全问题掉以轻心。而钢筋混凝土结构的建筑在我国既有建筑中占有相当大的比例，尤其预应力混凝土结构多用在重要性较高的建筑中，此类建筑一旦发生火灾，若结构没有足够的抗火能力，后果将更加严重，因此预应力混凝土结构的抗火性能应引起我们的高度重视。

1.预应力混凝土结构的耐火性能

目前国内外学者对预应力混凝土结构的耐火性能均进行了相关研究，尤以预应力混凝土构件的抗火试验研究较为广泛。建筑结构构件耐火试验表明，预应力混凝土构件的耐火极限非常低。我国GB 50016-2006《建筑设计防火规范》中给出了部分经过耐火试验测得的预应力混凝土构件的耐火极限。为与普通钢筋混凝土构件进行比对，笔者将规范中给出的普通钢筋混凝土构件与预应力混凝土构件的耐火极限数据列于表1。从表1可以看出，相同条件的钢筋混凝土构件当采用预应力筋时，其耐火极限比采用非预应力筋时下降了一半左右。

构件类型保护层厚度

（mm）耐火极限（h）

非预应力预应力

简支的钢筋混凝土梁252.001.00

302.301.20

简支钢筋混凝土圆孔空心楼板100.900.40

201.250.70

现有火灾案例表明，当火灾持续时间长、温度高，预应力混凝土结构也会发生大面积的坍塌事故。如1987年5月21日，巴西圣保罗市的预应力混凝土框架结构的CESP2大楼，在遭遇火灾2h后结构核心区发生了整体倒塌事故。而在1972年2月24日的巴西圣保罗市31层预应力混凝土结构的Andraus大楼火灾，及1974年2月1日巴西圣保罗市25层预应力混凝土结构的Joelma大楼火灾中，预应力混凝土结构均发生了不同程度的损毁。

2.预应力混凝土耐火性能差的原因分析

2.1 预应力钢筋的耐火性能比普通钢筋差

预应力混凝土结构多采用冷加工钢筋、热处理钢筋及高强钢丝，其耐火性能较普通混凝土结构中用的钢筋要差。冷加工钢筋是普通钢筋经过冷拉、冷拔、冷轧等加工强化过程得到的钢材，其内部晶格发生了畸变，导致强度增加但塑性降低。这种钢筋在火灾高温作用下，内部晶格的畸变会随温度升高而逐渐恢复正常，冷加工所提高的强度也逐渐减少甚至消失。试验表明，冷加工钢筋当温度达到400℃时强度急剧下降，降低约50%；500℃左右时，其屈服强度接近甚至小于普通热轧钢筋在相同温度下的强度。

热处理钢筋是把热轧钢筋经淬火和高温回火调质处理而成的，在升温过程中热处理所造成的金属晶体构架的畸变逐渐被消除，当钢筋温度超过400℃后，热处理的作用基本消失，故钢筋的强度急剧下降。

目前国内工程实践中的高效预应力混凝土结构广泛采用高强预应力钢丝和钢绞线。在火灾高温作用下，高强钢丝的抗拉强度降低比普通钢筋更快。当温度达到350℃以上时，强度降低约50%；400℃时强度降低约60%；500℃时强度下降达到80%以上。而钢绞线作为高强度钢种，在受火前已经处于一个较高的应力状态，具有一定的应力历史，因此在火灾下的性能表现为在一定的应力状态下的反应。随着火灾的发生，高温对材料的影响将比普通混凝土结构更大，将造成剧烈的内力重分布，从而改变破坏形式，大大降低结构的承载力。

2.2 火灾下预应力钢筋的高温蠕变导致预应力损失

钢筋的高温蠕变是指在一定的温度和应力作用下，随时间的增长其发生缓慢塑性变形的现象。试验研究结果表明，蠕变会随温度升高、应力水平增长及蠕变时间延长而增大，而温度是影响预应力钢筋蠕变性能的主要因素。当预应力混凝土结构遭遇火灾时，其钢丝、钢绞线将处于高温工作状态，且火灾温度越高蠕变现象越明显。

蠕变对预应力混凝土结构的火灾反应具有较大的影响。因为蠕变会导致预应力混凝土结构中的预应力损失，致使结构抗力退化及结构变形显著增加，大大降低了预应力混凝土结构的高温承载力。因此，高温下钢丝、钢铰线的蠕变是影响预应力混凝土结构抗火性能的重要因素。

2.3 预应力混凝土结构在火灾中易爆裂

在火灾初期，混凝土构件受热表面层发生的块状爆炸性脱落现象，称为混凝土的爆裂。爆裂是混凝土结构在火灾下的一种灾变现象，混凝土发生爆裂会导致构件截面减小，或钢筋直接暴露于火中并很快丧失力学性能，进而造成构件承载力迅速降低。

耐火试验表明，预应力钢筋混凝土结构比普通钢筋混凝土结构在火灾中更容易发生爆裂现象。其原因在于混凝土的爆裂与混凝土强度等级、混凝土含水率、压应力水平等因素有关。混凝土强度等级越高、含水率越大、压应力水平越高，爆裂现象越容易发生。而预应力混凝土结构多采用高强混凝土，其渗透性较低、抗爆性能较差，且预应力混凝土构件预压区的压应力水平较高而拉应力水平较低，故在火灾发生时较普通混凝土结构更容易出现爆裂问题，从而大大降低预应力混凝土结构的耐火性能。

2.4 预应力混凝土构件截面尺寸小，火灾中更易损伤内部

由于预应力混凝土结构采用高强混凝土及高强钢材，如混凝土多采用C40以上，钢筋亦用高强预应力筋、高强钢丝及钢绞线，其构件截面尺寸较普通钢筋混凝土结构小很多。在火灾高温作用下，钢筋混凝土构件的截面温度场决定着构件的抗火能力。构件截面尺寸越小，截面内外温差也越小，即火灾中构件内部温升快，对内部结构损伤较大，故预应力混凝土构件耐火性更差。

3.目前预应力混凝土抗火研究存在的主要问题

（1）我国缺少预应力混凝土结构抗火设计规范与指南。国外预应力混凝土抗火性能的研究工作始于20世纪70年代初期，目前国外一些研究机构已制定了预应力混凝土抗火设计规范和指南。国内于20世纪80年代后期开始进行钢筋混凝土结构的抗火研究，目前对预应力混凝土抗火方面的试验研究尚处于起步阶段，还没有专门的预应力混凝土抗火设计规范或指南。

（2）预应力混凝土整体结构的抗火性能需进一步研究。目前国内外研究机构对预应力混凝土结构抗火性能的试验，多以单一构件在标准火灾下的极限耐火时间为研究对象，较少涉及对预应力混凝土空间整体结构进行火灾试验研究。国外一些研究机构将构件抗火试验得出的结论在整体结构中进行推广应用，依据标准火灾试验的研究成果建立了预应力混凝土结构抗火性能和火灾反应的分析方法，这种由构件得出的结论直接应用于整体结构是否可行依然值得商榷。

（3）对火灾作用下预应力混凝土结构的预应力损失缺少深入的研究。由于预应力混凝土结构用的高强钢筋、钢丝及钢绞线常处于高应力状态，在火灾中诸多因素均会造成预应力损失。如预应力钢筋的蠕变会导致预应力损失，而温度又是影响钢材蠕变性能的主要因素，故钢材的高温蠕变对预应力混凝土结构的火灾反应具有较大的影响，要建立合理的预应力混凝土结构抗火分析方法，必须考虑钢材的高温蠕变特性。目前在普通混凝土结构火灾反应中已采用有关蠕变模型进行分析，并与有关试验取得很好的吻合，但钢材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目前还有待进一步的研究。

4.结语

预应力混凝土结构以其自身的优势在建筑工程中得到了广泛利用，尤其近年来已由早期的简单构件发展为复杂的空间整体受力结构。而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非常必要。目前，尽管国内外学者对预应力混凝土结构的抗火性能已经进行了一些研究工作，但其破坏机理目前尚不十分清楚，预应力混凝土结构还缺乏有效的抗火设计方法，因此尚需进一步对预应力混凝土结构的抗火性能进行深入研究，为其抗火设计与火灾后损伤评估提供依据。

（作者单位：中国人民武装警察部队学院）

作者简介

邢君，女，硕士，中国人民武装警察部队学院消防工程系建筑防火教研室副教授，主要从事建筑防火及建筑结构耐火设计的教学与科研工作，河北省廊坊市，065000。