建筑結構抗火性能分析

田欣喬　張建順

【摘 要】如果發生火災，火災高溫將嚴重惡化結構材料的性能，結構構建的內力分布也會被重新改變，產生顯著的結構變形。結構材料的承載力將會減弱，危機建筑物安全。因此，科學地設計建筑物抗火結構，形成完善的、可靠的抗火設計方案，是學術界和工程界普遍關注的問題。

【關鍵詞】結構；抗火；設計

火災給人類帶來的損失是巨大的，其中，建筑物火災的發生頻率和造成的損失遠高于其他形式的火災。目前，我國的建筑物隨著經濟的發展也在快速發展，高層、多層、多功能建筑物越來越普及，建筑物內的人口密度也在不斷提高，發生火災時造成的危害也就越大。本文將對建筑物結構抗火性能進行分析和建議。

1.以往的建筑結構抗火性能研究情況

1.1對建筑火災發展過程的研究

研究建筑火災發展過程的目的，就是掌握建筑火災發生的原因和規律，了解火災發生過程中的氣體、溫度等的變化，預測未來發生火災的可能性，從而為科學地設計建筑物抗火結構提供依據。

1.2對高溫下建筑材料的受力性能的研究

高溫下建筑材料易發生形變，材料的力學性能也會隨之發生變化。高溫下材料的熱工性能和力學性能是人們研究的重要課題。熱工性能主要包括比熱容、熱傳導系數、熱膨脹系數等。混凝土的骨料類型、溫度、水分含量和各材料的混合比都會影響混凝土的熱傳導性能?；炷恋臒醾鲗禂惦S著溫度的升高而下降，其它幾種因素的影響也會越來越小。與混凝土的力學性能研究相比，對其熱工性能的研究較少，因此在這方面還有很大的研究空間。

1.3對建筑構件內部的溫度場的研究

材料的溫度與力學性能有密切的關系。研究材料內部各點的溫度變化過程能為計算構件及結構在火宅中的反應提供依據。建筑火宅如果發生，釋放的熱量將會通過熱輻射、熱對流等傳到方式傳遞到建筑物表層，再通過熱傳導傳遞到構件內部。構件內部的溫度場會隨時間變化，一般可以通過傅立葉熱微分方程計算構建內部的溫度分布情況?；炷恋膶嵯禂岛捅葻崛菖c溫度具有函數關系，且環境因素會影響邊界條件，因此火災發生時構建內部的溫度場是非線性瞬態問題。

1.4對建筑結構抗火性能的實驗研究

人們已經對梁、柱、板等建筑構件進行過抗火性能測試和研究，并得出了配套的計算公式。Ellingwood等對不同截面形狀的鋼筋混凈土進行試驗，考察了混凝土保護層厚度、荷載水平、升溫方案等對簡支梁耐火性能的影響，并得出了相關結論。臺灣交通大學也對混凝土的抗火性能進行了研究，對剝落現象進行了證明。

1.5對相關軟件的研究

計算機軟件的發展對分析建筑結構的抗火性能具有重要意義。1977年麻省理工學院和伯克利加州大學聯合建立了火災中框架反應的分析軟件。該軟件經過多次修改和升級，如今已經具備了完善的分析能力。1979年，瑞典國家試驗研究院也設計了類似的軟件對建筑物火災情況進行分析，隨著不斷的完善，目前已運用到試驗和教學活動中。近年來我國對鋼筋混凝土的分析軟件也在不斷優化，目前，火災情況中建筑物的二維溫度場、三位溫度場和結構的變形、開裂等情況都能通過可視化的技術顯示出來。

2.如何提高建筑物抗火性能

通過對以往研究的分析和綜合，對建筑物抗火性能的研究將會呈現出研究內容多樣化、設備先進化、考慮因素綜合化等趨勢。筆者結合對現實情況和理論發展的總結和分析，對建筑結構抗火性能的提高提出以下建議：

2.1開發耐火的建筑材料

提高建筑材料自身的耐火性對減輕火災損失具有事半功倍的作用，同時，可以減少工程支出，加快施工進度。耐火材料的開發是當今一個重要的研究課題。據悉，武漢某鋼鐵公司在耐火材料的研發上有重要突破，而且其產品已經被運用到國家大劇院的工程建設中。此外，提高混凝土的耐火性也是人們研究的重要課題之一。加拿大國家研究院通過實驗證明，添加纖維對防止混凝土爆裂具有顯著的作用。

2.2加大實驗投入，獲取實驗數據

當前，有關混凝土在高溫和雙向受力條件下的本構關系實驗數據比較少，而高溫和三相受力下的本構關系的實驗數據幾乎為零。高溫條件下建筑材料的熱工性能的實驗數據也很少，某些關鍵的數據，如對流換熱系數等還是難以確定。因此，提高建筑結構的抗火性能，應當加大科研和實驗投入，通過實驗獲得更多有用的數據，以促進研究的深化和材料的開發。

2.3研究節點的耐火性能

專家通過對世貿大廈5號樓的調查研究，發現結點在火災中嚴重受損是造成大樓坍塌的主要原因。當前，結點耐火性能的研究還相當少，結點作為建筑物受力和分散力的重要結構，應當得到研究者的重視，通過對結點耐火性能的研究，設計出更加合理的建筑結構。

2.4開發性能化的抗火設計方法

性能化抗火設計方法，雖然注重確定建筑結構在火災中應該達到的目標，但對目標實現的手段并無限制。因此，在對建筑結構的抗火性能進行分析時，除應考慮結構本身的抗火性能外，還應考慮建筑物中主動消防設施的影響和消防隊員的作用。此外，增強大型設備的投入和實驗，突破目前單一實驗設備的限制，可以為結構設計方法提供更多便利。

2.5開發抗火分析專用軟件

抗火分析軟件的目的應當是在進行建筑結構設計時提前預知和減少將來可能出現的風險，預測可能出現的火災及場景，預測建筑物的反應和救火措施。目前的建筑物抗火軟件遠不能達到該水平。財政部門應當在資金上支持科研部門，加大科研投入和軟件開發力度，盡快讓軟件實際運用到建筑物結構設計中，減少建筑物火災造成的危害。

2.6提高混凝土強度

專家通過對高溫下不同混凝土強度等級和不同配筋率下鋼筋混凝土簡支梁抗彎、抗剪承載力的計算和分析，得出結論：提高混凝土強度能明顯提高混凝圖簡支梁的抗剪性能，但抗彎性能的提高不大；在配筋率的允許范圍內增大受力鋼筋面積能顯著增強鋼筋混凝土的極限承載能力。

總之，當前對建筑物火災的研究取得一定成果的同時，還有更多的難題等待人類去克服。研究投入不足、設備落后、研究規模小、內容少的問題應當得到人們的重視。在該形勢下，國家應加大投入支持科研，企業也應加大投入，對建筑材料的質量進行研究和提高，共同優化建筑結構的抗火性能。 [科]

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