建筑結構抗火設計研究

摘 要：闡述了建筑火災的危害性，揭示目前我國結構抗火設計的缺點，提出基于計算的結構抗火設計方法，并指明了結構抗火設計方法有待進一步研究的問題。

關鍵詞：建筑火災;抗火設計;材料性能

中圖分類號：TU文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）08-0362-01

1 火災的危害性

我國的火災次數(shù)和損失相當嚴重，據(jù)公安部消防局統(tǒng)計，2000年全國共發(fā)生火災189185起，死亡3021人，傷殘4404人，直接財產(chǎn)損失15.22億元。我國的火災次數(shù)和火災損失都呈上升趨勢，我國未來的火災形勢不容樂觀。迅速采取有效措施，抑制火災上升的勢頭，已成為黨、政府和全國人民普遍關心的問題。

近幾十年來，我國的高層建筑發(fā)展非常迅速，建筑結構火災的問題也日益突出，這些都迫切需要進行結構抗火性能的研究。現(xiàn)代建筑中大部分采用鋼筋混凝土結構和鋼結構作為承重結構，根據(jù)已有的研究成果，鋼筋混凝土結構在火災(高溫)下鋼材和混凝土的強度、彈性模量等均隨溫度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、鋼材在300度以上，其力學性能嚴重惡化，高溫下材料性能的變化是結構的承載力和耐火極限嚴重下降的一個主要原因。另外結構受火時受火面溫度隨周圍環(huán)境溫度迅速升高，但由于混凝土的熱惰性，內部溫度增長緩慢，截面上形成不均勻溫度場，而且溫度變化梯度也不均勻，導致不等的溫度變形和截面應力重分布，這些變化都足以危及結構的安全性，某些情況下會導致結構失效。

2 建筑結構抗火性能研究回顧

結構抗火設計的目的是保證建筑構件和結構具有足夠的耐火時間，防止火災時出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌。

2.1 建筑火災發(fā)展過程研究

建筑火災發(fā)展過程研究的目的是掌握建筑火災發(fā)展規(guī)律，主要了解氣體溫度變化及煙氣運動等規(guī)律，從而再現(xiàn)已發(fā)生火災和預測未來火災的情況，為建筑防火設計和結構抗火設計提供科學依據(jù)。

對建筑火災發(fā)展過程進行實驗研究是一種較為直接、可靠的途徑。它一方面可以給出供計算用的一些經(jīng)驗、半經(jīng)驗性的模型，另一方面可以為人們從一般原理出發(fā)提出的理論和計算模型提供檢驗手段和可靠依據(jù)。1972年，在美國國家科學基金資助下，美國哈佛大學現(xiàn)代火災科學之父Howard Emmons教授與工廠聯(lián)合研究公司對建筑火災發(fā)展過程進行合作研究，其中進行了兩次足尺實體試驗。這項研究取得了三方面的重大成果：實驗方面，使用了新的儀器和數(shù)據(jù)處理方法，建立了現(xiàn)代火災實驗標準；理論方面，建立了現(xiàn)在廣為知曉的區(qū)域火災模型；數(shù)值方面，為哈佛大學的火災模擬軟件提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 建筑材料高溫下熱工性能和力學性能研究

建筑材料在高溫下的熱工性能參數(shù)以及力學性能參數(shù)是研究建筑結構在火災中反應的基礎。材料的熱工性能參數(shù)包括熱傳導系數(shù)、比熱容、質量密度以及熱膨脹系數(shù)等。影響混凝土熱傳導系數(shù)的因素有骨料類型、水分含量、混凝土的配合比以及溫度等。試驗表明，隨著溫度的升高，混凝土的熱傳導系數(shù)逐漸減小，混凝土的熱膨脹系數(shù)與骨料類型等因素有關，并且還受試件尺寸、加熱速度等外部條件影響，不同研究者得出的結果差異較大。相對于混凝土的力學性能來說，混凝土的熱工性能研究還較少，但熱工性能參數(shù)對結構分析結果影響還是比較大的，這方面還有很多工作要做。

2.3 建筑構件內溫度場研究

材料的力學性能與溫度密切相關，所以，搞清構件內部各點的溫度變化過程是計算構件及結構在火災中結構反應的前提。發(fā)生建筑火災時，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對流以及熱傳導方式傳遞給建筑構件表面，再通過熱傳導向構件內部傳遞。構件內溫度場是一個隨時間變化的變溫度場，一般可通過對傅立葉導熱微分方程進行數(shù)值求解獲得構件內的溫度分布。有限單元法是計算構件內溫度場的一種理想方法。為了減少計算工作量，目前普遍假設梁、柱等細長構件的溫度分布沿軸線方向無變化，把三維溫度場問題簡化成二維問題。

3 合理的結構抗火設計方法

基于計算的結構抗火設計，可以免除傳統(tǒng)的基于試驗(經(jīng)驗)的結構抗火設計方法所存在的問題，目前已被各國普遍接受并在設計規(guī)范中采納。

3.1 結構抗火設計要求

（1）在規(guī)定的結構耐火設計極限時間內，結構的承載力Rd應不小于各種作用產(chǎn)生的組合效應Sm，即Rd≥Sm；

（2）在規(guī)定的各種荷載組合下，結構的耐火時間td應不小于規(guī)定的結構耐火極限tm，即td≥tm；

（3）火災下，當結構內部溫度均勻時，若結構達到承載力極限狀態(tài)時的溫度為臨界溫度Td，則Td應不小于在耐火極限時間內結構的最高溫度Tm，即Td≥Tm。

上述三個要求實際上是等效的，進行結構抗火設計時，滿足其一即可。

3.2 基于計算的結構抗火設計方法

（1）采用確定的防火措施；

（2）計算構件在確定的防火措施和耐火極限條件下的內部溫度；

（3）采用確定的高溫下材料的參數(shù)，計算結構中該構件在外荷載的內力；

（4）由計算的溫度場確定等效截面和等效強度；

（5）根據(jù)構件和受載的類型，進行結構抗火承載力極限狀態(tài)驗算；

（6）當不滿足要求時，重復以上步驟。

4 結構抗火設計的研究方向

盡管目前在結構火災試驗和分析方面已經(jīng)開展了一些研究，但對了解和掌握結構火災反應特性、提高結構抗火性能、建立結構抗火設計方法方面仍有許多工作有待完善和進一步開展。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

4.1 材料性能

由于混凝土和鋼材本身化學成分的差異，在溫度影響下，材料力學性能有一定的離散性，必須通過一定數(shù)量的不同材料的試驗以確定其基本性能及變化特征。同時，通過材料性能試驗，尋找在高溫下性能優(yōu)良的材料，以提高結構抗火能力。對目前國內外進行的高溫材料試驗結果進行總結，并建立可供計算機程序用的材料高溫(火災)性能數(shù)據(jù)庫是火災材料研究的一個重點。

4.2 熱傳導及溫度場分布

對鋼筋保護層厚度、表面防火材料使用的效果進行研究，以確定提高結構抗火性能的有效途徑。

4.3 結構火災下的可靠度分析

采用概率的概念來評估工程結構的安全度（即可靠度）已被工程界廣泛接受，但對結構在火災下如何確定其安全度仍有待研究。由于火災發(fā)生的可能性、火災的持續(xù)時間和峰值強度、發(fā)生火災時結構承受的荷載等并不確定，以及材料在溫度下性能的更趨離散等因素均會影響結構的耐火性能。因此如何在設計中對這些因素進行綜合考慮，以確定其耐火安全度是今后面臨的一個重大課題。結構火災下的可靠度分析也是對現(xiàn)有建筑物進行評估的一個重要方面，對今后房屋交易、保險等均有重大意義。

4.4 火災后鑒定和修復

由于經(jīng)濟條件限制，我國有相當一部分建筑在設計上對防火技術措施未予考慮或考慮不夠周密，火災后往往造成建筑結構損傷、破壞或倒塌，造成的結構破壞情況較多。通常火災后所采取的處理措施是進行修復加固，但我國在這方面的研究起步較晚，目前尚無專門的法規(guī)。

參考文獻

［1］中國統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2001［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2002.

［2］中國統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2002［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2003.

［3］Craig Beyler. Professor Howard Emmons 1912-1988［J］Fire Technology， 1999， 35(1)：1-3.