火災下鋼筋混凝土結構內部溫度場分析與研究

李秋明　于俊鵬　馬穎慧

（華北理工大學 建筑工程學院，河北　唐山　063009）

火災下鋼筋混凝土結構內部溫度場分析與研究

李秋明于俊鵬馬穎慧

（華北理工大學 建筑工程學院，河北唐山063009）

閱讀了鋼筋混凝土抗火方面的大量文獻，簡要歸納了鋼筋混凝土抗火研究的內部溫度場、高溫力學性能、構件及結構抗火性能等方面的研究成果。主要介紹了火災下的國際標準溫度-時間曲線，并總結了一般的求解溫度場問題的各類方法；提出了一些問題，包括標準溫度-時間曲線很難符合構件實際火災條件；今后重要的研究方向在于開展計算機模擬抗火研究，并開發有效的抗火性能數值模擬軟件。

火災；鋼筋混凝土；溫度場

縱觀當今國內外研究進展，針對建筑火災的研究現狀主要包含實際火災發展以及升溫曲線研究、火災煙氣蔓延研究以及建筑物火災計算機模擬研究三項內容。這三項研究內容的目的都是為了掌握建筑物受火高溫情況下的變化規律，主要為了解氣體溫度變化以及煙霧運動規律，進而展現火災發生與預測火災未來情況，其目的是為結構抗火設計以及建筑防火設計提供充分的科學依據。

國外的主要著名研究所有1947年英國科學家建立的火災研究所（FRS），此外還有美國的美國的NIST研究所、日本的建設省建筑研究院以及加拿大國家研究院。相比之下，國內起步較晚，1989年我國科學家在中國科學技術大學建立了國家火災重點實驗室，由范維澄院士帶領課題組對火災發展過程進行系統的研究，其研究內容涉及到單室火災、多室火災以及大空間火災模擬、煙氣運動等實驗模擬。

1　溫度-時間曲線

火災的發生被分為三個過程：期初階段、發展階段以及熄滅階段。其中由于在發展階段高溫持續最長，因此發展階段對結構的抗火性能起到了決定性作用。

在實際火場中，溫度—時間變化關系將直接影響著結構內部溫度場變化，針對火場溫度變化影響因素，結合研究［1］可知主要具有三個影響因素：其一為室內火災性質、數量以及分布；其二為房間面積、形狀以及通風情況；其三為建筑材料的熱工性能。

建筑在設計時刻無法預知室內可燃物狀況，這就會導致火場溫度—時間變化曲線存在較大隨機性。所以為同一其結構抗火性能，進而建立一個客觀準確的評價尺度，國際標準組織（ISO）經過嚴密的科學試驗給出了一條理想化的理論試驗曲線被統稱為標準時間—溫度曲線。

因為標準火場溫度—時間曲線很難作為所有結構在實際火災中的高溫工作情況，因此受火條件需趨于采取用計算預測得出的失火分區平均溫度—時間曲線，代替標準升溫曲線。隨著性能化結構抗火設計的提出，標準升溫曲線已不能滿足要求，且標準溫度—時間曲線很難作為所有構建受火條件下的實際火災工作條件，然而通過計算機模擬預測得到的火災高溫區域火場高溫—時間曲線可以很好的反應規律，從而可以作為結構溫度場的分析依據［2-4］。

2　求解溫度場問題的一般方法

在當今研究水平下，鋼筋混凝土截面溫度場的計算精度主要采用如下四種方法［5-6］：其一為結合有限元法以及差分法，采用MATLAB軟件進行計算機編程進而來進行數值分析；其二將研究結構簡化為穩態情況下的一維或者二維問題，進行解析；其三為結合現有相關設計規范所提供的溫度場圖表以及數據；其四為制作足尺試件進行高溫試驗，然后加以實測。

在實際受火高溫條件下，鋼筋混凝土邊界溫度條件以及混凝土導熱參數、質量密度以及熱熔等熱工性能參數都會隨著時間的變化而變化，因此截面熱傳導問題也是一個非線性的瞬態問題，結合相關規范資料可知，其控制方程為非線性拋物線偏微分方程。主要存在的數值解法為：時間域差法—空間域差法、空間域有限元—時間域差法以及時間域有限元—空間域有限元法等。

3　開展計算機模擬火災試驗

計算機技術的迅速發展，使得應用計算機仿真試驗模擬結構火災的技術得以實現。火災的計算機模擬是在大量火災試驗基礎上發展起來的。經查閱大量相關資料可知目前國際上共有18種火災模擬計算模型，主要可以進行火災發生環境、煙氣的運動方式、火災持續時間等方面的預測。這些火災模擬計算模型可以歸納為場模型和區域模型兩種。此外，中國科學技術大學最近提出了一種新的場-區-網耦合模型。

計算機模擬火災試驗包括預測火災發生及發展的全過程、構件的結構力學響應非線性分析以及構件內部溫度與熱反應分析、然而火災模擬實驗需涉及到工程結構、火災科學以及計算機學科知識體系。在當下我國乃至國外先進水平范圍內都沒有通過軟件能實現最真實的火災模擬實驗。因此今后應該圍繞此類型軟件的開發和完善進行設計和研究。

4　結語

鋼筋混凝土結構現在普遍在各種工程技術方面展開了應用。火災導致的高溫情況將會影響鋼筋混凝土結構的強度、剛度等各方面條件。由于對鋼筋混凝土結構的抗火性能進行試驗非常復雜并且造價很大，所以，根據各類試驗結果進行分析計算，以進一步研究數值分析軟件是當今研究鋼筋混凝土抗火性能的重要趨勢。

鋼筋混凝土構件結構抗火研究總趨勢為：利用各類構件在荷載和溫度共同作用下破壞機理，建立構件的火災下分析模型，使用計算機數值模擬研究。

［1］ 張懷章，楊秀萍，赫淑英.壓型鋼板—混凝土組合樓板溫度場有限元模擬［J］.天津理工大學學報，2006，22（4）:13-15.

［2］ 段文璽.建筑結構的火災分析和處理（一）［J］.工業建筑，1985（7）:50.

［3］ 陸洲導，徐兆琿.火災下鋼骨混凝土柱溫度場分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2004，32（9）:1122 -1125.

［4］ 陳禮剛，胡文福，孫慶德.火災下鋼筋混凝土板溫度場分析［J］.火災科學，2004，13（4）:241-245.

［5］ 李麗，胡海濤.鋼筋混凝土結構高溫性能研究綜述［J］.青島建筑工程學院學報，2004，25（3）:33-38.

［6］ 李昀暉.鋼筋混凝土梁高溫極限承載力計算及抗火設計方法研究［D］.中南大學碩士學位論文.2007.

TU375

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1003-5168（2015）11-106-01