预应力钢结构抗火研究

摘要：本文主要阐述了预应力钢结构防火现状及意义。给广大同行提供参考

关键词：预应力；钢结构；抗火

中图分类号： TU391 文献标识码： A

1预应力钢结构的特点及国内外研究现状

预应力钢结构是通过在钢结构中施加预加应力的方法，使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反，在结构中产生有利的应力分布，以提高构件或结构的承载能力，减小其结构变形，从而达到节约钢材，降低工程造价的目的。在钢结构中引入预应力技术是改善结构性能，节约钢材，提高综合效益的重要技术措施。

预应力钢结构与预应力混凝土结构在概念上有不同之处。在钢筋混凝土结构中施加预应力的目的克服混凝土抗拉强度低、易于开裂以及无法利用钢材的高强度的缺点。而在钢结构中引入预应力，主要是为了充分利用钢材弹性范围内的强度，使钢结构在相同的材料消耗时改善结构的受力性能，提高其承载能力和刚度。前人的研究成果和大量的工程实践表明，预应力钢结构具有如下特点和优点：

（1）在钢结构中采用预应力技术可以节约大量钢材。根据国内外有关文献资料分析，与普通钢结构相比，预应力钢结构一般可节约钢材20～40%，降低工程造价约10～25%，经济效益可观。对于人均用钢量仍然很低的我国，节约钢材，扩大钢结构的应用范围仍是设计人员追求的目标，因而预应力钢结构符合当前社会的发展趋势与要求。

（2）与普通钢结构相比，预应力钢结构在节约钢材的同时，可以结构的承载能力、刚度和疲劳强度，调整结构的内力分布，改善结构的性能，安全可靠。

（3）预应力钢结构尤其适用于跨度大、荷载重的结构中，能较好的满足建筑功能要求，提高建筑空间利用率，提高综合效益。

（4）在钢结构中采用预应力技术能有效地降低支座处产生的水平推力，便于下部支撑结构的处理。

（5）预应力钢结构施工方便。预应力钢结构一般为无粘接预应力体系，其高强钢束的定位、张拉和保护都很便利，所需施工场地小，施工速度快。

（6）在钢结构的修复、加固中采用预应力技术是一种简便而且经济、有效的方法。它不破坏原有结构、无需卸载、高效、快捷、安全可靠，能够保证新、旧结构共同工作。

（7）预应力钢结构具有较大的内部能量，结构一旦受到意外荷载作用时，易导致突然崩溃倒塌。甚至作用于结构的恒载的减少，也会导致结构的破坏。在结构建成后，若使用过程中需要翻修，或者要拆卸这类结构时，必须注意按原设计的相反的次序卸除预应力和外加荷载。

在钢结构中施加预应力的做法，早在十九世纪末期就被提出。如霍夫于1897年设计的莫斯科百货商场拱形屋盖是最早的预应力钢结构之一。但预应力钢结构在建筑结构中的真正广泛应用，也还是近四十年来的事情。预应力钢结构作为一种新型的结构，在前苏联、捷克、德国、比利时、英国、美国、加拿大等国家得到了比较广泛的应用。相关的理论和试验研究也从基本构件的静力强度分析深入到动力分析和疲劳性能、弹塑性阶段受力性能、优化设计、高效预应力技术以及预应力钢结构经济学的研究。预应力钢结构已经发展成为现代工程技术中的一门新学科。国际学术界1963年于德国德累斯顿，1966年于前捷克斯大林洛伐克 可布拉格，1971年于前苏联列宁格勒先后召开过三届国际预应力金属结构会议，会议充分肯定了预应力钢结构学科取得的成就，并讨论了存在的问题及发展方向。一致认为预应力钢结构已从初始的探索和 试验阶段发展为樗当代先进工程技术水平的一门新兴学科，必将给结构工程带来崭新的面貌。1963年在国际上第一次出版了俄罗斯功勋科技活动家E.H.Bejiehr教授的专著 《预应力承重金属结构》一书， 为学科的全面、系统发展奠定了理论基础。同年前苏联又出版了《预应力钢结构设计规程》， 成为本学科统一工程实践的首部行动指南 [10]。

我国在预应力钢结构学科领域研究工作起步较晚。上个世纪五、六十年代，哈尔滨建筑工程学院、清华大学、西安冶金建筑工程学院以及冶金部建筑研究总院等单位进行过这方面的理论与试验研究，取得了一些成果，并将这些研究成果应用于预应力拱形屋盖梁、预应力输煤钢栈桥等结构中，取得了较好的经济效果，并且至今这些结构仍然使用状况良好。此后，由于多方面的原因，该项研究与应用基本上处于停滞不前的状况，与国外相比，差距进一步拉大。近年来，随着我国经济形式的好转，钢材年产量的增加，预应力钢结构的应用日益增加。同时，我国的预应力技术也迅速发展，研究与应用水平有了很大的提高，积累一些设计与施工经验，为预应力钢结构在我国的应用和发展创造了良好的条件。北京工业大学、东南大学、哈尔滨建筑工程学院、同济大学、冶金部建筑研究总院等单位在消化、吸收国外最新研究成果的基础上，做了大量的研究工作，积累了一定经验，缩小了国内与国外的水平差距。其中，主要代表作有：北京奥林匹克体育中心体育馆和英东游泳馆的预应力斜拉网壳结构；攀枝花体育馆65m跨八边形预应力穹顶网壳；冶金部研究总院设计的新加坡港务局PSA仓库预应力斜拉网架；东南大学和北京市建筑设计研究院合作完成研究、设计和施工的北京西客站主站房45m跨，荷载总重超过55000kN的预应力钢桁架以及62m跨三层预应力钢桁架天桥等。这些均表明，预应力钢结构在我国具有广阔的发展前景，值得进一步深入、全面的研究与推广应用，为我国的工程建设服务。

当然，同普通钢结构一样，预应力钢结构也存在耐火性差，易腐蚀，后期维护费用大等问题。但这些问题并不影响预应力钢结构的应用与发展。近几十年来，预应力钢结构在国内外获得了广泛的应用与发展，几乎涉及到了工程结构的各个领域，例如：预应力钢架、预应力钢结构桥梁、悬挂结构、塔桅结构和大跨空间结构等。只要合理利用，扬长避短，预应力钢结构必将在工程建设领域大有作为。

2预应力钢结构抗火研究的意义

钢材虽具有强度高、重量轻、材质均匀等许多优点，但有一个致命的缺点―― 不耐火。钢材抵抗高温的能力非常有限，在火灾高温作用下，其力学性能会随温度的升高而降低，变形会不断增大，在200℃以内时，其性能没有很大变化430℃～540℃之间则强度急剧下降，600℃时强度很低，不能承担荷载。同时，260℃～320℃时还有徐变现象。纽约世界贸易中心主楼的“9.11 ”事件，飞机撞进大厦和大厦燃烧初期，大厦均没有立即倒塌，这就说明钢结构是在火灾温度升到一定的时候才破坏的。而预应力钢结构多属无粘结预应力体系，且多数结构长期暴露在外，因此，防火问题显得更为重要。对于预应力的钢结构来说，不需要温度升到400℃以上，只要到达300℃左右，由于徐变现象的出现，预应力松弛而引起的内力重分布就可能造成整个结构的破坏，预应力度越大的结构耐火性越差。因此，预应力钢结构的防火设计应比普通钢结构和预应力混凝土结构应更加严格。

近年来， 新结构、新材料、新技术、新工艺层出不穷，大跨度空间结构取得了迅猛的发展，建造了很多的大空间和超大空间建筑物，以满足人们的社会文化生活需求与更高的使用功能要求。此类结构与传统的大跨空间结构建筑物追求“跨度大，重量轻”不同，既要满足底部大空间的功能要求，又要解决在超大跨度或超大荷载下结构如何保持良好的受力性能和变形性能的问题。这些都给预应力钢结构的研究带来了新的机遇和挑战。

在可预见的将来，在大跨空间结构领域，预应力钢结构及其新体系将在与钢筋混凝土结构体系的竞争中起主导作用，但由于我国的预应力钢结构研究起步晚，预应力钢结构学科发展的历史短暂，许多领域尚待开发与研究，许多方面尚未涉足与揭示，许多国外已有的科研成果及工程实践，我国尚未起步，没有经验，预应力钢结构及其新体系的许多方面如优化设计实用计算方法、动力性能、抗火性能等有待进一步的深入研究。

我国的钢结构抗火研究起步较晚，预应力钢结构的抗火研究更是凤毛麟角，在公开发表的文献资料中，仅有辽宁工程技术大学的罗涛对预应力网架结构的抗火承载力进行了有限元分析。在未来的防火设计中，还应探索合理的方案，确保火灾时的结构安全。

从90 年代开始，现代预应力技术被列为我国建筑业重点开发和推广项目，然而预应力结构的抗火性能究竟如何？ 这是工程界普遍关注的焦点。目前，国内外仅涉及到预应力混凝土梁、板和单层框架抗火性能方面的研究。

3预应力钢结构抗火的关键科学问题

综上所述，预应力钢结构的应用范围越来越广泛，然而有关预应力钢结构的抗火研究却几乎是一片空白，预应力钢结构的抗火研究任重而道远、意义重大。目前预应力钢结构的抗火研究应着重解决以下几个课题，是大家努力的方向：

一、高温下和高温后高强低松弛预应力钢绞线的力学性能研究

尽管国内外学者对预应力钢丝高温力学性能己进行了一些研究工作，但研究对象是用于预应力混凝土结构的普通松弛预应力钢丝，不是预应力钢结构工程中占主导地位的高强低松弛预应力钢绞线。故还不能满足预应力钢结构的抗火分析要求。因此，开展高温下和高温后高强低松弛预应力钢绞线的力学性能研究，总结其各项高温力学性能指标，并建立适用于火灾条件下的预应力钢绞线本构关系模型，是预应力钢结构的抗火分析的前提和基础。

二、预应力钢结构构件的抗火研究。

研究预应力钢结构构件在荷载、预应力及高温共同作用下的变形和力学性能，为预应力钢结构的抗火设计和施工提供借鉴和指导。

三、火灾后预应力钢结构构件的承载力研究

在分析构件火灾高温损伤特点的基础上，研究火灾后预应力钢结构构件的承载能力，为预应力钢结构在火灾后的处理和加固的方案提供依据。

四、研究如何利用计算机仿真试验来了解不同形式预应力钢结构的耐火性能，提出改善结构抗火性能的方法[24]。