预应力大跨度空间结构防火性能研究

【摘要】火灾对钢构件的结构性能有较大影响，会导致整个建筑物的承载力降低甚至倒塌。预应力技术在大跨度空间钢结构中得到了普遍的应用。本文主要介绍了对于各种预应力大跨钢结构整体抗火性能的理论分析和试验研究。

【关键词】火灾；预应力；空间结构

一 引言

火灾是最频繁、最具破坏性、最危险的灾害之一，其直接经济损失约为地震的 5 倍，仅次于洪涝和干旱。火灾事故的频繁发生不仅对人类的财产和生命安全有严重的危害，更重要的是对社会产生了一定的负面影响。在各类火灾中，对人类的危害最严重、最直接的当属建筑火灾，其原因主要与建筑物是人类日常生产、生活以及财富非常集中的主要场所等特点有关。

随着建筑科学的发展和人民生活水平的不断提高，人们从事生产和生活对更大跨度的空间提出了要求。由于大跨空间结构既能满足建筑平面、空间和造型的要求，跨越足够大的跨度，又具有良好的技术经济指标，在世界各国得到了飞速发展[1]。然而，由于此类大型空间结构在体育馆、展览馆、博物馆、剧场、飞机库及仓库等民用与工业用建筑中的使用越来越多，而这些结构往往具有人流密集、所存物资关系国计民生等特点。因此，有必要研究空间结构在火灾下的性能，通过系统的理论和试验研究，建立科学的结构抗火设计方法，以避免因结构在火灾中破坏或倒塌所造成的人员伤亡，并减少因结构在火灾中的破坏或倒塌所造成的经济损失。

二 预应力在大跨度钢结构中的应用

自预应力引入钢结构以来，即预应力钢结构诞生以来，在大跨度钢结构中已得到普遍的应用。预应力技术应用于大跨度空间钢结构的特点和优势。

（1） 可以改变结构的受力状态，满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制。

（2） 通过预应力技术可以构成新的结构体系和结构形态（形式），如索穹顶结构等。

（3） 预应力技术可以作为预制构件（单元杆件或组合构件）装配的手段，从而形成一种新型的结构，如弓式预应力钢结构。

（4） 采用预应力技术后，或可组成一种杂交的空间结构，或可构成一种全新的空间结构，其结构的用钢指标比原结构或一般结构可大幅度降低，具有明显的技术经济效益。

而在大跨度钢结构中，预应力技术主要应用于张悬梁、弦支穹顶、索穹顶、预应力索桁架、大型索网、组合网壳等结构中。如图所示

三 研究现状

李国强，周焕廷[2]进行了大空间索网结构在火灾下三维非线性有限元分析， 通过对影响索网结构临界温度的各因素进行敏感性分析， 确定了影响临界温度的主要因素为荷载比和预应力比.根据对工程中常见的三种平面形状的鞍形索网的临界温度参数分析， 得到了鞍形索网结构临界温度与荷载比及预应力比关系的实用表格.对于确定索网结构荷载比所需的最大荷载给出了解析表达式， 为索网结构抗火设计提供了简便实用的方法

王新堂[3]]对4榀预应力钢桁架结构模型进行火灾下的结构响应及火灾后力学性能试验研究，如图3所示。结构模型两端简支，另两端自由。研究了火灾下桁架弦杆和腹杆的温度响应及上弦节点位移，并对火灾后尚未破坏的结构模型进一步进行原位卸载及加载试验。试验结果说明：预应力不锈钢桁架模型在受火过程中，虽然张拉钢索产生一定的松弛，但结构模型未出现整体坍塌； 火灾后的预应力钢桁架产生一定的残余位移，且对于相同几何尺寸和受火条件的结构模型，二次张拉施加预应力的结构模型火灾后残余位移小于一次张拉模型； 对于具有较大刚度的结构，张拉次数及最高受火温度对预应力不锈钢桁架的火灾后弹性极限荷载没有影响。

王广勇[4]建立了考虑火灾升温和升降温作用下预应力网架结构力学性能的有限元模型，并对预应力网架的变形模式、预应力索拉应力随受火时间的变化规律进行了研究。结果表明，预应力网架经历升降温火灾后，残余变形较大，索中拉应力增加，因此对其进行火灾安全设计时应考虑降温阶段结构破坏的可能性。

杨志，韩庆华[5]研究了预应力组合网架结构在火灾下的力学性能和影响因素，并结合实际工程对预应力组合网架结构的抗火性能进行了数值分析。分析了边界条件、拉索布置、涂层厚度及节点刚度对其整体抗火性能的影响.

宗忠林[6]采用考虑时间积分效应的非线性有限元数值分析法，建立了用于大跨度弦支穹顶结构抗火性能分析的数值模型。研究了结构的温度场分布、位移和应力特征以及支座约束条件对结构抗火的影响。分析结果表明：在火灾作用下，大跨度弦支穹顶结构具有较好的抗火性能，结构的抗火薄弱区域位于上层网壳的中心区域；火灾下引起弦支穹顶结构产生较大变形的主要原因是环向约束作用、材料升温膨胀以及结构刚度的降低。

杜咏，陆亚珍[7]利用非线性有限元方法， 建立了钢索在高温下的力学分析模型， 模拟了大空间建筑火灾升温历程中钢索力学反应全过程， 用参数分析方法得到影响钢索在火灾升温历程中力学反应的关键因素。试验结果表明：在大空间建筑火灾升温历程中， 钢索的水平张力呈下降的趋势； 随着钢索的预应力比增加、温度场非均匀性的增强和跨度的增加， 其水平张力下降速率增大； 荷载比的增加对水平张力下降速率影响较小。

刘国军[8]运用性能化防火设计方法对正方四角锥预应力组合楼层网架结构的整体抗火性能和安全评估进行了研究分析。

刘学春，张爱林[9]对大跨度索穹顶结构进行抗火性能分析。以温度-结构耦合为基本方法，基于大空间空气升温模型，考虑高温下材料的非线性，分析了结构在不同火灾工况下的响应，得到火灾下索穹顶结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律。

吕晶，徐国彬[10]通过模拟预测实际火灾特性， 采用有限元双重非线性方法进行结构的整体和局部抗火反应静力分析， 求得直到倒塌时的结构抗火全过程响应， 并确定结构的临界温度状态和整体结构的抗火时间极限。

四 目前预应力空间结构抗火存在的问题

（1）缺乏对火灾高温下空间结构的构件、缩尺结构和整体结构进行试验研究。在进行空间结构抗火理论分析的同时，进行结构和构件的试验研究非常必要，利用理论分析与试验结果建立起一套系统、合理、经济适用的空间结构抗火体系，以适应抗火安全的需要。

（2）对于预应力钢索在火灾升温过程中的力学性能没有准确的分析模型，只是定性的进行规律性的总结。

（3）国家规范对具体的抗火设计有明确的规定。设计的方法主要是基于试验的设计方法和m模型分析，很少对其进行全过程分析。

参考文献

[1] 张毅刚，薛素铎，杨青山，等. 大跨空间结构[G].

[2] 李国强，周焕廷. 索网结构抗火实用设计方法[J]. 空间结构. 2007（04）： 43-50.

[3] 王新堂，孙宏亮，Yingang Du，等. 空间预应力钢桁架火灾响应及火灾后受力性能试验研究[J]. 土木工程学报. 2013（08）： 28-37.

[4] 王广勇，郑蝉蝉，张东明. 火灾下预应力网架结构的力学性能[J]. 建筑科学. 2013（07）： 80-84.

[5] 杨志，韩庆华，金辉，等. 预应力组合网架结构抗火性能数值分析[J]. 天津大学学报. 2007（08）： 1007-1012.

[6] 宗钟凌，何永福，李世歌. 火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析[J]. 消防科学与技术. 2012（04）： 336-340.

[7] 杜咏，陆亚珍. 大空间建筑火灾下钢索的力学反应参数分析[J]. 防灾减灾工程学报. 2012（S1）： 72-76.

[8] 预应力组合网架结构的性能化抗火研究_刘国军[J].

[9] 刘学春，张爱林，谢伟伟，等. 大跨度索穹顶结构抗火性能分析[J]. 建筑结构学报. 2012（04）： 31-39.

[10] 吕晶，徐国彬，王月栋. 劲柔索张拉穹顶抗火反应非线性有限元分析[J]. 中国安全科学学报. 2003（12）： 66-70.