广州大学土木工程学院 广东广州 510006
摘要：活性粉末混凝土（RPC）是超高性能建筑材料，随着其优异的力学性能及耐久性能，RPC材料相继在重大工程中得以应用与推广，但RPC梁的火灾安全性能是制约其广泛应用的关键问题之一。主要分析不同种类的活性粉末混凝土梁的抗火性能：预应力RPC梁及无施加预应力的钢筋活性粉末混凝土梁。预应力RPC梁与高强预应力筋结合形成具有显著的承载、变形和耐久性能优势；钢筋混凝土RPC梁与其作对比，在此基础上，提出RPC梁进一步需要解决的问题，希望为RPC梁构件在实际工程中的提高抗火性能提供指导和帮助。
关键词：活性粉末混凝土；RPC梁；预应力；抗火性能
引言
活性粉末混凝土自1824年“波兰水泥”的发明开始，水泥基复合材料制备技术发生了许多变化。社会中伴随经济不断发展及工程建设发展需求也对水泥基复合材料大量应用，建筑结构不断地向高层和大跨度方向发展，对混凝土的力学性能要求越来越高。
因此，提高混凝土强度是当时需要解决的问题，由于提高水泥的强度等级并不能使混凝土强度大幅度提升。直到高效减水剂问世，通过降低水胶比使混凝土更加密实减少内部缺陷，并研发出了强度超过60MPa高强混凝土（high strength concrete，HSC）。然而，只是提高混凝土抗压强度并不能改变其脆性和抗拉强度低的缺点，纤维的掺入使混凝土的抗裂强度和延性得到大幅度提高并改善了混凝土的脆性缺点，由此纤维混凝土在工程中得到推广和应用。而且随着我国建筑技术的发展与进步，随着城市化进程不断地发展，各种新型混凝土材料，高性能、超高性能混凝土材料不断涌现，广泛地应用于超高层建筑、大跨度建筑结构、地下建筑中。高强混凝土（high strength concrete，HSC）、高性能混凝土（high performance concrete，HPC）、超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）相对于普通混凝土（ordinary concrete，OC）具有更高的抗压强度，更高的耐久性，更好的体积稳定性和抗腐蚀性等，新型混凝土材料的出现极大地促进了混凝土技术的发展，但混凝土结构的火灾安全问题也随着新型混凝土材料的增加日益加剧。混凝土结构的火灾安全问题也随着新型混凝土材料的增加日益加剧。
1 钢筋混凝土RPC梁抗火性能研究
1.1普通钢筋混凝土梁的研究
普通钢筋混凝土梁中，陆洲导等[1]完成了12根钢筋混凝土简支梁一面、二面、三面受火试验，计算了高温下简支梁弯矩-曲率关系和跨中变形发现当荷载水平大于0.5时，简支梁耐火极限降低明显。时旭东等[2]完成了12根钢筋混凝土简支梁抗火试验，其中6根为恒温加载路径，6根为恒载升温路径，结果表明：温度-荷载路径不仅影响构件截面应力分布，而且影响结构极限荷载。
1.2钢筋混凝土RPC梁的研究
乔琪[3]该文主要研究火灾下及火灾后钢筋RPC简支梁灾变行为。
（1）通过钢筋RPC简支梁明火试验，研究不同保护层厚度和荷载水平对火灾下钢筋RPC简支梁承载力和变形的影响。
（2）研究聚丙烯纤维和防火涂料对钢筋RPC简支梁抗火性能的改善作用，为提高火灾下RPC梁的安全性提供参考。
（3）通过试验研究火灾后钢筋RPC简支梁的力学性能，提出火灾后钢筋RPC简支梁正截面承载力计算公式。
（4）采用ABAQUS有限元软件，模拟火灾下钢筋RPC简支梁灾变行为，得到温度随时间的变化规律，并与试验实测值进行对比分析，验证理论分析结果和试验结果的准确性。
采用4根钢筋RPC简支梁，通过明火试验，研究钢筋RPC简支梁力学性能的影响，得到以下结论：
（1）其他条件相同的情况下，由于混凝土导热性能较差，保护层厚度越大，升温速率越慢；
（2）常温下普通混凝土开裂分为三个阶段，即不开裂弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段，火灾后混凝土梁只有带裂缝工作阶段和破坏阶段，荷载一位移曲线呈现二折线形式。
（2）火灾作用下荷载水平越大，火灾后跨中变形越大，火灾后剩余承载力越小：刷防火涂料可以有效抑制火灾后钢筋RPC简支梁变形。
（3）火灾后剩余承载力计算值偏小于试验值，试验过程安全，可以为以后工程计算提供依据。
2 预应力RPC梁抗火性能研究
2.1无粘结预应力混凝土梁的研究
王中强等[4]完成了26根无粘结预应力混凝土简支扁梁抗火性能试验，并编制了无粘结预应力混凝土梁抗火性能非线性分析程序NAUPCLF，结果表明：荷载水平越大综合配筋指标（0.38-0.87）越小扁梁抗火性能越差。
牛瑶瑶[5]对预应力RPC梁的抗火性能试验研究与分析，其中设计2根无粘结预应力简支梁的抗火性能试验，结果表明：无粘结预应力筋火灾高温下徐变、蠕变使梁全跨有效预应力衰减失效，梁受火损伤至破坏过程急剧：有粘结预应力RPC梁端部预应力无明显损失。有粘结预应力RPC梁抗火性能优于无粘结预应力RPC梁，基于结构体系的抗火设计需考虑无粘结预应力筋应力损失及失效的全跨传递效应。
2.2有粘结预应力混凝土梁的研究
根据Yan Kai [6]研究可得，
（1）预应力RPC梁的火灾后安全性-
随着火灾持续时间的增加，火势逐渐减弱。由于梁内预应力的存在，火灾后预应力RPC梁的荷载-挠度曲线呈现出三段折线变化规律。折线具有明显的边界点，对应于裂纹扩展，RPC的膨胀和钢筋束的屈服。
（2）火灾后预应力RPC梁的变形具有强烈的悬链效应。
极限荷载作用下跨中变形约为有效跨径的1/40，明显大于室温下的1/150。
（3）对于根据钢筋不足设计的预应力RPC梁，破坏过程呈现出原始破坏特征着火后的载荷-挠度曲线。但是，与室温下的梁相比，梁顶部的RPC破碎区的高度较小，梁底部的裂缝较大。从失效外观来看，失效模式属于钢筋较少的梁。
（4）荷载比、保护层厚度和钢筋类型是影响预应力混凝土火灾后安全的关键因素。在相同设计参数的情况下，粘结的预应力RPC梁的使用寿命要比未粘结的预应力RPC梁的使用寿命高。
3.结语
根据是否施加预应力RPC混凝土抗火性能研究对比，有预应力RPC梁抗火性能优于无预应力RPC梁，常温下普通混凝土开裂分为三个阶段，即不开裂弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段，火灾后混凝土梁只有带裂缝工作阶段和破坏阶段。首先两者共同点是增大保护层厚度，升温速率越慢，减慢钢筋力学性能失效；共同改善抗火性能措施是在RPC构件外面喷涂防涂，降低RPC内部温度梯度，使RPC高温下更快地达到内外温度均匀一致，减少由温度梯度带来的裂纹，防火涂料本身也具有抗爆裂的性能，可降低RPC试件的爆裂程度。
对于钢筋RPC梁可以刷防火涂料可以有效抑制火灾后钢筋RPC简支梁变形；对于预应力RPC梁可采用干热养护有效的抑制了高温爆裂，或者采用合理的纤维类型和掺量，合理设置构件的受火形状与尺寸改善爆裂性能。
参考文献：
[1]侯晓萌，郑文忠.欧洲规范中混凝土结构抗火设计主要内容（1）——火灾下荷载效应、抗力效应、材料性能与基于表格的抗火设计方法[J].工业建筑，2008（04）：98-103.
[2]Xudong Shi，Teng-Hooi Tan，Kang-Hai Tan，et al. Effect of Force-Temperature Paths on Behaviors of Reinforced Concrete Flexural Members. 2002，128（3）：365-373.
[3]乔琪.钢筋活性粉末混凝土简支梁抗火性能研究[D].石家庄铁道大学，2019.
[4]王中强，余志武.高温下无粘结预应力混凝土扁梁试验研究[J].建筑结构学报，2011，32（02）：98-106.
[5]王中强，余志武.高温下无黏结预应力混凝土受弯构件的非线性有限元分析[J].土木工程学报，2011，44（02）：42-49.
[6]Yan Kai，Zhang Yao，Cai Hao，et al. Postfire Safety Investigation on Prestressed RPC Beams after Exposure to Elevated Temperatures. 2020.
作者简介：
李小森，1996年出生，男，汉族，安徽亳州人，广州大学硕士研究生，研究方向：纤维复合混凝土。