建筑結構抗火設計研究

劉曼

（安新縣市政建設有限公司，河北 保定 071000）

【摘 要】本文闡述了建筑火災的危害性，針對我國目前的結構抗火設計的缺點進行論述，并提出高層建筑的抗火方法。

【關鍵詞】結構設計；抗火研究；材料性能

一、火災的危害

近幾十年來，我國的高層建筑發展非常迅速，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。

二、建筑結構抗火能力的研究

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，防止火災時出現局部倒塌甚至整體倒塌。

建筑火災過程研究：建筑火災發展過程研究的目的是掌握建筑火災發展規律，主要了解氣體溫度變化及煙氣運動等規律，從而再現已發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。對建筑火災發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驗、半經驗性的模型，另一方面可以為人們從一般原理出發提出的理論和計算模型提供檢驗手段和可靠依據。1972年，在美國國家科學基金資助下，美國哈佛大學現代火災科學之父Howard Emmons教授與工廠聯合研究公司對建筑火災發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據處理方法，建立了現代火災實驗標準；理論方面，建立了現在廣為知曉的區域火災模型；數值方面，為哈佛大學的火災模擬軟件提供了可靠的數據支持。

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以及力學性能參數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包括熱傳導系數、比熱容、質量密度以及熱膨脹系數等。影響混凝土熱傳導系數的因素有骨料類型、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逐漸減小，混凝土的熱膨脹系數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。

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。

三、高層建筑鋼結構的防火措施

對于高層建筑鋼結構，除了進行基本的抗火設計，還必須考慮可行的防火保護措施，將兩者緊密的結合起來。鋼結構防火保護的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結構的升溫速率，延緩鋼結構表面到達臨界溫度的時間。常用防火措施現行基本有以下幾種：

（一）噴涂法

該方法采用專門設備將一定厚度防火涂料直接噴在鋼結構構件表面上，具有造價較低、施工快速、復雜的細部亦容易覆蓋等優點，視防火層厚度的大小抗火時間也有所不同，最高可達4個小時。但由于噴涂表面不平整，影響美觀。故適用于比較隱蔽的鋼構件。防火涂料一般由硅石添加粘結劑或礦物纖維制成。

（二）防火板隔離法

將表面平整的防火材料板采用機械方法螺栓連接或捆扎環繞固定在鋼構件的四周，一般做成箱狀，將構件和周圍火環境隔離，以達到降低構件的受熱速度，確保構件在一定的防火時效內不致達到其極限溫度。由于防火板可在工廠批量生產，所以具有厚度一致、品質保證、干凈無污染等優點。其外表平整、美觀，故較為適用于外露構件如鋼柱的防火處理，大部分產品抗火時間可達到4小時。但對于結構復雜的細部施工較困難，裝配速度較慢。

（三）膨脹漆覆蓋法

將一定厚度的膨脹漆采用噴涂、刷或抹的方式在經過一定處理的構件表面形成一層保護膜，最高可滿足2小時的抗火時間要求。膨脹漆防火材料覆蓋層遇高溫時能夠自然澎脹成泡沫狀，形成一層很厚的隔熱毯，其厚度可達原防火層厚度的數十倍，以降低鋼構件的升溫速率。該方法可作為鋼構件的表面裝修，具有施工迅速且易于在復雜的結構細部施工等優點，但大都不適合潮濕的環境，僅適用于干燥的室內環境。視材料防火性能的不同，該方法造價可高可低。

（四）水泥磚塊填充法

對于某些截面的H型鋼柱，在其翼緣和腹板之間的空隙處填入水泥磚以降低構件表面的曝火面積，同時使斷面上產生不同的溫度區域，從而達到降低構件的受熱速率，提高其抗火性能的目的。單獨采用該方法可能達到30分鐘的抗火時間，如果需要更高的抗火時效，則須對暴露的鋼構件表面施以其它的防火處理。

（五）水冷卻法

將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網，其內充滿含抗凍劑、防銹劑的水溶液，通過著火時的溫差作用，使水溶液循環流動，把熱量帶走；也可以設置自動水淋裝置，在鋼結構頂部設噴淋供水管網，火災時自動噴水，在鋼構件表面形成一道致密的連續流動的水膜，從而起到防火保護作用。

高層建筑鋼結構的防火保護方法并不是單單用上面的某一種方法，而是采用多法結合作用。現在高層或超高層鋼結構往往設置幾道防火防線，一般以噴淋法為第一道防線，以防火板隔離法和噴涂法為第二、第三道防線等。

四、結論

總而言之，現如今建筑結構抗火設計已經取得了一定的研究成績。但是還有著很多部分需要我們去解決。以目前我國的鋼結構抗火設計為例，現如今還是缺乏著具體的、系統的方法及要求。因此，對于我國的抗火設計而言，還需要不斷的實踐和研究來進行完善。

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