淺談建筑結構耐火設計

高寶宇

（雙鴨山市建筑設計院，黑龍江 雙鴨山 155100）

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(nèi)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。

1 建筑結構耐火設計的目地

1.1 建筑物在給定火災條件下(火災荷載、通風條件、結構形式等)，其結構能否確保穩(wěn)定而不倒塌;

1.2 如果評估結果是將發(fā)生倒塌，應采取什么技術措施予以避免。

2 建筑結構的耐火等級

耐火等級是衡量建筑物耐火程度的分級標度，耐火等級高的建筑物，發(fā)生火災的次數(shù)少，火災時被火燒壞、倒塌的很少；耐火等級低的建筑，發(fā)生火災概率大，火災時往往容易被燒壞，造成局部或整體倒塌，火災損失大.對于不向類型、性質(zhì)的建筑提出不同的耐火等級要求，可做到既有利于消防安全，又有利于節(jié)約基本建設投資。建筑物具有較高的耐火等級，可以起到以下幾方面的作用:

2.1 在建筑物發(fā)生火災時，確保其能在一定的時間內(nèi)不破壞，不傳播火災，延緩和阻止火勢的蔓延。

2.2 為人們安全疏散提供必要的疏散時間，保證建筑物內(nèi)人員安全脫險。建筑物層數(shù)越多，疏散到地面的距離就越長，所需疏散時間也愈長。為了保證建筑內(nèi)人員安全疏散，在設計中除了要周密地考慮完善的安全疏散設施外，還要做到承重構件具有足夠的耐火能力。

2.3 為消防人員撲救火災創(chuàng)造有利條件。撲救建筑火災，消防人員大多要進人建筑物內(nèi)進行撲救。如果其主體結構沒有足夠的抵抗火燒的能力，在較短時間內(nèi)發(fā)生局部或全部破壞、倒塌，不僅會給消防撲救工作造成許多困難，而且還可能造成重大傷亡事故。

2.4 為建筑物火災后重新修復使用提供有利條件。在通常情況下，其主體結構耐火能力好，抵抗火燒時間長，則其火災時破壞少，災后修復快。

3 建筑構件的燃燒性能

建筑構件的燃燒性能，反映了建筑構件遇火燃燒或高溫作用時的燃燒特點，它由制成建筑構件的材料的燃燒性能而定。不同燃燒性能建筑材料制成的建筑構件，可分為三類:

3.1 不燃燒體

用通過國家標準《建筑材料不燃性試驗方法》(GB 5464-85)試驗合格的材料，即不燃性材料制成的建筑構件稱為不燃燒體。這種構件在空氣中受到火燒或高溫作用時，不起火、不微燃、不碳化。如磚墻、磚柱，鋼筋混凝土梁、板、柱，鋼梁等。

3.2 難燃燒體

用通過國家標準《建筑材料難燃性試驗方法》(GB 8625-88)試驗合格的材料制成的構件，或用可燃性材料作基層，而用不燃性材料作保護層(或隔熱層)的構件稱為難燃燒體。這類構件在空氣中受到火燒及高溫作用時，難起火、難微燃、難碳化，當火源移走后，燃燒或微燃立即停止。如阻燃膠合板吊頂、經(jīng)阻燃處理的木質(zhì)防火門、木龍骨板條抹灰隔墻等。

3.3 燃燒體

用普通可燃性或易燃性材料制成的建筑構件稱為燃燒體。這類構件在明火或高溫作用下，能立即著火燃燒，且火源移走后，仍能繼續(xù)燃燒或微燃。如木柱、木屋架、木擱柵、纖維板吊頂?shù)取?/p>

4 我國現(xiàn)有設計方法的缺陷

4.1 建筑物耐火等級的選定不易操作。目前，建筑物功能趨于復雜化和綜合化，不同功能區(qū)域的火災性狀差別很大，設計值無法選擇合理的建筑物耐火等級。

4.2 構件的耐火極限要求不夠合理。火災荷載這一重要因素考慮得不夠充分。在相同火災荷載情況下，火災的發(fā)展性狀還與失火房間的大小、形狀、開窗面積等因素有很大關系，現(xiàn)有方法沒有考慮這些因素。

4.3 構件耐火極限的確定方法不夠科學。規(guī)范所給出的耐火極限值主要根據(jù)一定條件下的有限次試驗結果，不能涵蓋所有的因素。特別是，實際結構的耐火極限與火災發(fā)生時構件的應力水平密切相關，即結構喪失穩(wěn)定性是重力荷載和火災荷載共同作用的結果。現(xiàn)有方法沒有反映這一特點。

5 當前耐火設計研究發(fā)展趨勢

由于科技水平的發(fā)展，尤其是高速計算機的廣泛應用與普及，使人們利用結構分析方法進行耐火設計成為可能。同時，人們也逐漸認識到，利用標準耐火試驗結果去直接指導實際耐火設計具有相當片面性；單一承重構件的耐火性能和實際的結構單元(如連續(xù)梁、框架等)相差甚遠，破壞機理也不盡相同。所以，目前研究趨勢為:

5.1 用過去標準耐火實驗研究方法 (破壞性試驗)掌握了各類構件在火災溫度和重力荷載共同作用下的破壞機理后，建立構件在火災條件下的分析模型，使用計算機數(shù)值模擬研究更為科學合理，因為該方法可以考慮更多的影響因素，使構件的工作條件更符合實際而費用更為低廉，所以研究方法正在由構件的破壞性試驗方法向結構分析方法過渡。

5.2 由于單一構件在火災中產(chǎn)生的溫度內(nèi)力與框架或其他超定靜結構產(chǎn)生的溫度內(nèi)力差別甚大，所以研究對象正在由單一構件轉向構件組合單元。

5.3 由于鋼結構耐火研究開展較早，研究得也較深人，而混凝土結構已被證明同樣會在火災中塌垮，所以研究的結構形式正在由鋼結構向鋼筋混凝土結構發(fā)展。

5.4 由于建筑功能的多變性，主要體現(xiàn)在火災荷載和通風條件的變化，用標準溫度一時間曲線作為所有構件的受火條件，確實很難反映構件在實際火災中的工作條件，所以受火條件正趨于用按預測計算得到的失火分區(qū)平均溫度一時間曲線代替一呈不變的標準升溫曲線。

6 耐火設計方法探索

6.1 根據(jù)失火分區(qū)具體情況，即火災荷載大小、通風參數(shù)、分區(qū)分隔物材料熱參數(shù)預測計算分區(qū)火災溫度～時間關系，以此作為構件升溫曲線或以標準升溫曲線作為受火條件。

6.2 建立構件導熱微分方程，輸人構件材料熱參數(shù)和定解條件，解算構件截面溫度場。

6.3 由結構理論建立構件抗力計算模型，按溫度場計算結果確定相應的材料力學設計參數(shù)，計算構件抗力RF。

6.4 確定火災時構件可能承受的重力荷載即有效荷載，用力學分析方法計算構件在有效荷載和溫度共同作用下的荷載效應SF。

6.5 比較RF和SF，當RF≥SF時，結構可保證穩(wěn)定而不倒塌，設計結束；當RF＜SF時，結構不能保證穩(wěn)定，需作耐火補充設計，即改變分區(qū)狀況或構件截面幾何參數(shù)，重新計算直至滿足要求。

結束語

綜上所述，建筑結構耐火設計最終的目地是為了保證火災發(fā)生時以及發(fā)生后結構的整體穩(wěn)定性，不至于整體倒塌，從而為人員的疏散贏得時間，為消防人員撲救火災創(chuàng)造安全環(huán)境，為災后修復提供有利條件，這是我們設計人員在進行工作時需要持有的理念。

[1]邱洪興.建筑結構設計[M].東南大學出版社，2002.

[2]趙玉星.常用建筑結構設計[M].華中科技大學出版社，2008.

[3]王學謙.全國注冊結構工程師繼續(xù)教育必讀系列教材，建筑防火[M].中國建筑工業(yè)出版社，2000.