火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的研究

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 201080691009土木工程學(xué)院科研訓(xùn)練題 目：火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的研究班 級(jí)：土木10-4班姓 名：關(guān)永亮學(xué) 號(hào)：92013年12月摘要 火災(zāi)荷載密度的大小直接關(guān)系到火勢(shì)的猛烈程度，當(dāng)火災(zāi)荷載密度大時(shí)，火勢(shì)猛烈，升溫快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。建（構(gòu)）筑物倒塌事故隨時(shí)可能發(fā)生，且事故前兆很不明顯，允許人員逃生的時(shí)間極短，待人們察覺時(shí)，倒塌事故往往已經(jīng)造成了嚴(yán)重后果。尤其是大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后坍塌的案例不多，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)借鑒，也缺乏相應(yīng)的理論支持。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析，從發(fā)生火災(zāi)到坍塌的時(shí)間長(zhǎng)短不一。相似的建筑，有的在熊熊大火中燃燒幾十小時(shí)沒有發(fā)生坍塌，有的僅幾小時(shí)

2、就發(fā)生了坍塌。關(guān)鍵詞火災(zāi) 建筑結(jié)構(gòu) 火災(zāi)荷載 高層引言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑逐步增多，火災(zāi)荷載和不安全因素也隨之增加。如果因火災(zāi)而造成高層建筑倒塌，必將給救人和滅火帶來更大的困難，給擔(dān)負(fù)搶險(xiǎn)救援任務(wù)的消防隊(duì)員提出更高的要求和挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，美國(guó)“9.11”紐約世貿(mào)中心倒塌的原因在于大火熔化了支撐鋼筋，而不是飛機(jī)的直接撞擊。因此，在撲救建筑火災(zāi)時(shí)，要充分考慮建筑的倒塌問題。在美國(guó)“9.11”紐約世貿(mào)中心爆炸現(xiàn)場(chǎng)滅火的300多名消防人員主要就是因建筑倒塌而喪生。在我國(guó)，近年來由于在滅火中因建筑結(jié)構(gòu)破壞、倒塌而造成消防人員傷亡的事故也曾發(fā)生。因此，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)破壞、倒塌特點(diǎn)和規(guī)律的研究探討，制定切實(shí)

3、可行的滅火救援預(yù)案，無疑對(duì)減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有非常重大的意義。正文一、火災(zāi)條件下建筑結(jié)構(gòu)倒塌的原因。 建筑物中建筑構(gòu)件名目較多，近年來隨著一些新材料、新工藝、新技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，建筑構(gòu)件的性能也變得越來越復(fù)雜，燃燒破壞的特點(diǎn)也趨于多樣性。不同建筑構(gòu)件均具有自身的燃燒性能和耐火極限?；馂?zāi)條件下，隨著建筑材料和構(gòu)件的燃燒和破壞，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)也必然受到一定的影響，直至遭到局部的破壞或整個(gè)的倒塌。結(jié)構(gòu)的倒塌與破壞，是由燃燒和高溫條件造成的，倒塌和破壞的原因主要有以下幾個(gè)方面： （1）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遇熱，失去預(yù)加應(yīng)力，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力。（2）磚石砌體受熱變

4、形開裂?；◢弾r因部石英、長(zhǎng)石、云母不同的熱變形而碎裂。硅酸鹽砌塊也因部的熱分散而松散。（3）鋼結(jié)構(gòu)受熱變形破壞。鋼結(jié)構(gòu)受熱后，很快出現(xiàn)塑性變形，在火燒15-20min 左右，杠件變成“面條”一樣，隨著局部的破壞，造成整體失去穩(wěn)定而破壞，而且破壞后的鋼結(jié)構(gòu)是無法修復(fù)重新使用的。（4）木結(jié)構(gòu)表面被燒蝕，削弱了荷重的斷面。木材起火燃燒，表面炭化，如果剩余截面的面積仍能承受原有全部荷重，結(jié)構(gòu)是不會(huì)倒塌的。特別是消防隊(duì)與時(shí)到達(dá)火場(chǎng)在撲救火災(zāi)時(shí)，構(gòu)件外表面的炭層吸收大量的水，對(duì)結(jié)構(gòu)來說，還是一個(gè)很好的保護(hù)層。所以大斷面比較有利。 在加熱爐中實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以看到，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件，在受熱

5、數(shù)小時(shí)后，便出現(xiàn)較大的變形。顯然，這是因?yàn)橹骼摻钌扉L(zhǎng)的結(jié)果。所以預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在耐火方面的性能，是不如普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的，必須加厚鋼筋保護(hù)層的厚度。 （5）高溫下建筑材料的力學(xué)性能改變，強(qiáng)度隨著溫度升高而降低，以與火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在目前的結(jié)構(gòu)計(jì)算中還沒有考慮到。（6）建筑物部爆炸的沖擊和震動(dòng)，常是摧毀建筑物的一種主要原因。建筑結(jié)構(gòu)的抗爆計(jì)算，因沖擊波的力量較大，而需與防爆泄壓設(shè)施同時(shí)考慮。（7）上部結(jié)構(gòu)倒塌落在樓板上，或滅火積水不能排除，或樓板上的物資大量吸收滅火水流，大增加了樓板的荷重，使樓板因大量超載而塌落。歷史老照片不能說的秘密（8）滅火射水落在高溫的磚石

6、、混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面，由于突然的冷卻造成結(jié)構(gòu)表面因收縮開裂，表皮剝落。特別關(guān)鍵的是破壞了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，在火未熄滅前，使火直接燒到主拉鋼筋，鋼筋立即失去強(qiáng)度，而使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。    二、火災(zāi)條件下建筑結(jié)構(gòu)破壞的一般規(guī)律。 火災(zāi)條件下建筑結(jié)構(gòu)的倒塌破壞，往往使室通風(fēng)更加良好，加速室的燃燒，并且會(huì)破壞防火分隔物，使火勢(shì)得以擴(kuò)大蔓延，為正確實(shí)施滅火救人與自救帶來極大的困難。因此，掌握建筑倒塌的一般規(guī)律，對(duì)消防人員來說，是非常必要的。一般說，結(jié)構(gòu)倒塌有以下規(guī)律： （1）木結(jié)構(gòu)屋頂，整個(gè)倒塌的少，局部破壞的多。鋼結(jié)構(gòu)屋頂，局部

7、被火燒毀，其余部分往往被燒的部分塌落，也同時(shí)由墻頭拉到地面上來。（2）吊頂、屋架、木樓板、空心墻、泥土墻，易燃建筑等，都是易于倒塌破壞的。（3）土坯墻是耐火不燃的，但由于消防射流的強(qiáng)力沖擊，也會(huì)遭到破壞。（4）倒塌的次序，一般是先吊頂，后屋頂，最后是墻壁。（5）一般房屋的墻是向里倒的。 三、火災(zāi)條件下幾種常見結(jié)構(gòu)破壞的具體情況與一般應(yīng)對(duì)方法 1、鋼結(jié)構(gòu)屋頂 鋼的耐火性差。溫度在450-500時(shí)，承載能力便大大減弱。溫度再高，鋼材變軟，變形顯著，屋架翹曲，屋頂隨著就會(huì)塌落，經(jīng)過的時(shí)間很短，一般在10-20min左右。由于鋼結(jié)構(gòu)屋頂空間工作的條件，在屋架之間聯(lián)結(jié)了很多

8、的支撐桿件，因而也就決定了，鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)钠茐氖钦w的，或者是較大部分的，很少是局部的。在鋼結(jié)構(gòu)屋頂建筑物起火時(shí)，要防止火直接燒到屋架，但也不要對(duì)溫度很高的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行驟然的冷卻，因?yàn)檫@些都是加速屋頂塌落的重要原因。使用噴霧水流，或使用直流水槍，對(duì)著屋面板射水，借以冷卻屋架上弦，在火災(zāi)初期是有效的。可以把結(jié)構(gòu)保存下來，不會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。但滅火人員在撲救時(shí)，一定要隱蔽在不會(huì)因屋頂?shù)顾鴤说陌踩攸c(diǎn)。 2、鋼筋混凝土構(gòu)件混凝土是耐火的。對(duì)滅火來說，它是比較安全可靠的。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間，一般都在1h以上。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是一種新型結(jié)構(gòu)，承載能力好，省材料，但耐火能力較差。滅

9、火時(shí)，要注意其變形（下?lián)希┑那闆r。 3、薄殼結(jié)構(gòu)屋頂 薄殼適用于大面積的屋頂。其特點(diǎn)，主要是由于它所用的材料少。薄殼的跨度大，厚度?。ㄤ摻罨炷翚ぷ钌?5mm，磚殼最少60mm)，薄殼周邊的支撐是靠?jī)蓚?cè)的樓板、基礎(chǔ)或剛拉桿。薄殼結(jié)構(gòu)的倒塌是整片的，其原因主要是由于支撐的條件破壞。故起火時(shí)，應(yīng)與時(shí)冷卻剛拉桿。只要支撐的條件不破壞，就完全有可能避免倒塌，因?yàn)闅んw本身的耐火性能很高。 當(dāng)薄殼結(jié)構(gòu)的屋面起火，或者滅火時(shí)需要登上薄殼屋頂時(shí)，特別要注意，到屋頂上去的人數(shù)不能過多，人員要分散，不要集中，最好站在殼的中心，或兩側(cè)對(duì)稱于中心的位置上。 4、木結(jié)構(gòu) 

10、;木構(gòu)件遇火后，很快就被點(diǎn)著，在表面形成炭層。木材被燒焦的速度是和它的密度與含水率的大小直接練習(xí)的，木材燃燒的速度是隨著它的密度和含水率的增加而減少的。根據(jù)測(cè)試，木材向里燃燒速度的理論平均值為0.6mm/min ，質(zhì)輕且干木材的燃燒速度的近似值是0.8mm/min，密質(zhì)的濕木材燃燒速度的近似值是0.4mm/min。在實(shí)踐中我們可以利用這些數(shù)字來估計(jì)木構(gòu)件被燃燒的程度。 5、墻與煙囪 磚的耐火性好，能經(jīng)得起高溫，而砌成墻壁以后，由于砌筑的質(zhì)量和沙漿的耐火性能較差，磚墻的耐火性不如磚本身，但一般磚墻承受幾小時(shí)的火燒是沒問題的?？墒腔馂?zāi)發(fā)生時(shí)，磚墻或煙囪也有發(fā)生倒塌的，

11、主要原因是： （1）框架破壞，框架填充墻也隨之破壞； （2）因?yàn)闃前逅?，或橫向墻被破壞，使縱向墻失去了橫向的支撐。 （3）受到意外的水平?jīng)_擊作用。 （4）空斗墻、空心磚的砌塊變形破壞，失去承載能力。火災(zāi)荷載是指在一個(gè)空間里所有物品包括建筑裝修材料在的總?cè)紵裏?。而建筑物火?zāi)主要是建筑物的可燃結(jié)構(gòu)、建筑物的可燃物品在燃燒。其火災(zāi)荷載就是建筑物的可燃結(jié)構(gòu)和建筑物的可燃物品的總潛熱能。建筑物發(fā)生火災(zāi)后火勢(shì)的發(fā)展將受到建筑的幾何形狀、高度、空間、開口情況、構(gòu)件的可燃程度、抗燃燒程度和建筑物火災(zāi)荷載、空氣供給強(qiáng)度等各種因素的影響。其中火災(zāi)荷載則決定著整個(gè)建筑物火災(zāi)

12、的變化與大小。因?yàn)榻ㄖ锘馂?zāi)荷載如果為一公斤，那么它產(chǎn)生的熱量就相當(dāng)于一公斤標(biāo)準(zhǔn)木材所產(chǎn)生的熱量，約為18840千焦。這么大的熱值會(huì)對(duì)建筑物的基礎(chǔ)、墻、柱、梁、樓板、屋頂、樓梯、門、窗、吊頂?shù)葮?gòu)件造成極大的威脅。對(duì)建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑構(gòu)件的耐火極限也是一個(gè)巨大考驗(yàn)。當(dāng)火災(zāi)荷載的熱值突破了建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑構(gòu)件的耐火極限時(shí)，就會(huì)極易造成建筑物整體失去穩(wěn)定性而導(dǎo)致坍塌。     建筑物按結(jié)構(gòu)大體分為五類：（一）易燃結(jié)構(gòu)建筑。主要建筑構(gòu)件以竹、木、草、油氈為主。（二）磚木結(jié)構(gòu)建筑。以磚木為主要建筑構(gòu)件的房屋，它在整個(gè)

13、建筑中占有很大比例。(三)磚混結(jié)構(gòu)豎向承重構(gòu)件采用磚墻或磚柱，水平承重構(gòu)件采用鋼筋混凝土樓板、屋面板；（四）鋼結(jié)構(gòu)建筑。以各種型鋼為主要承重構(gòu)件的房屋，使用于大跨度廠房、庫歷史老照片不能說的秘密房、和高層建筑。（五）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑。以鋼筋混凝土為主要承重構(gòu)件的房屋，鋼筋混凝土作柱、梁、樓板與屋頂?shù)瘸兄貥?gòu)件，磚或其它輕質(zhì)材料做墻體等圍護(hù)構(gòu)件，使用圍很廣，在各類建筑中，占有很大比例。所有這些除第五類建筑為一級(jí)耐火等級(jí)建筑外，其余耐火等級(jí)均較低。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，舊城改造步伐的不斷加快，木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)的建筑越來越少，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑越來越多，從分類中我們可以看出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)安

14、全，磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)較差，。許多垮塌都發(fā)生在磚混結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)之中，震驚全國(guó)的“113”特大火災(zāi)，發(fā)生坍塌的商住居民樓，就屬磚混結(jié)構(gòu)。應(yīng)作為防垮塌的重點(diǎn)認(rèn)真加以對(duì)待。     改革開放以來，百業(yè)興旺，國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)繁榮時(shí)期。隨著人們生活水平的提高，對(duì)居住條件的要求也越來越高，建筑的結(jié)構(gòu)、形式、以與使用材料已日益多樣性。建筑物部的裝修越來越豪華，多采用大量的可燃材料進(jìn)行裝飾，如可燃材料吊頂、塑料墻布、墻紙、落地窗簾等，房間鋪設(shè)大量的電線、電纜。室設(shè)大量的物品，如化纖地毯、壁毯、掛畫、床、沙發(fā)、桌椅等生活用品。這些材料多為高分子材料，在燃

15、燒過程中能釋放出大量的熱能和可燃?xì)怏w與有毒煙氣，能加快燃燒速度，使溫度迅速增高，火災(zāi)荷載密度也急速加大。從火災(zāi)荷載上看，一般來說，辦公樓、居民住宅樓（公寓樓、宿舍樓）火災(zāi)荷載輕，賓館、飯店、娛樂場(chǎng)所、商場(chǎng)、市場(chǎng)、物資儲(chǔ)備倉庫等火災(zāi)荷載重，特別是商場(chǎng)、市場(chǎng)、物資儲(chǔ)備倉庫等發(fā)生火災(zāi)后，經(jīng)過一段時(shí)間的烈火高溫烘烤后都有發(fā)生坍塌的可能。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，一般物質(zhì)體積超過建筑容積的三分之一，建筑耐火等級(jí)在二級(jí)以下，發(fā)生火災(zāi)后燃燒時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，火場(chǎng)指揮員就應(yīng)當(dāng)考慮房屋坍塌的可能性和帶給現(xiàn)場(chǎng)滅火人員的危險(xiǎn)性。      一般住宅樓的火災(zāi)荷載密度約為3560公

16、斤/平方米。高級(jí)賓館達(dá)到4560公斤/平方米。這樣當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)。由于火災(zāi)荷載密度大，火勢(shì)燃燒猛烈，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，（根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明火災(zāi)荷載密度為60公斤/平方米時(shí)，其持續(xù)燃燒時(shí)間為1。3小時(shí)，）所以溫度迅速升高，可燃物質(zhì)受高溫作用迅速著火燃燒，溫度越升越高。在高溫作用下，木質(zhì)構(gòu)件表面炭化并受熱起火燃燒，木材受高溫作用發(fā)生炭化前，其力學(xué)特性不會(huì)有太大變化。但是，當(dāng)有明火引燃時(shí)木材的著火溫度僅為240°C270°C，在400°C470°C下木材也能自燃。木材起火燃燒后，表面逐漸炭化，力學(xué)特性就會(huì)迅速受到破壞，如果剩余截面的面積不能承受原有全部荷載，削弱了荷載斷

17、面。承重力下降；結(jié)構(gòu)就會(huì)倒塌。吊頂或木樓板燒穿后承重結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；一端時(shí)間就會(huì)造成樓板或天花板下沉。易燃結(jié)構(gòu)建筑就會(huì)很快發(fā)生坍塌。    鋼結(jié)構(gòu)受熱后，會(huì)產(chǎn)生塑性變形，它雖不燃燒，但是其高溫性能差，大量的試驗(yàn)和火災(zāi)案例表明鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。無保護(hù)層的金屬構(gòu)件在高溫作用下，力學(xué)性能會(huì)迅速發(fā)生變化，短時(shí)間其強(qiáng)度就會(huì)喪失，失去支撐或承重能力。無保護(hù)層的金屬構(gòu)件，但溫度達(dá)到500度時(shí)，鋼材強(qiáng)度損失達(dá)50，承重能力就會(huì)下降到原來承重能力的一半，再繼續(xù)加熱，當(dāng)溫度繼續(xù)升高至600度時(shí)既失去承重能力。其理論耐火時(shí)間僅為15分鐘左右便很快軟化，發(fā)生扭曲倒塌，而且破壞后的

18、鋼結(jié)構(gòu)是無法修復(fù)重新使用的。1998年玉環(huán)家具城發(fā)生火災(zāi)，就造成該建筑（鋼結(jié)構(gòu)）整體倒塌。這時(shí)，由于建筑構(gòu)件的自重和上面荷載物的作用，鋼構(gòu)件就會(huì)發(fā)生扭曲、變形。導(dǎo)致建筑物坍塌。另外鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)力關(guān)系緊密，如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)某一部分構(gòu)件因失去承重能力坍塌破壞應(yīng)力關(guān)系后。便會(huì)導(dǎo)致其他構(gòu)件甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)變形坍塌。    磚石砌體材料主要用作豎直承重。花崗巖因結(jié)構(gòu)緊密、質(zhì)地堅(jiān)硬。一般作為建筑物的基礎(chǔ)和外墻，其部組織以石英、長(zhǎng)石、云母為主。這些物質(zhì)高溫或長(zhǎng)時(shí)間受熱后性質(zhì)發(fā)生變化，溫度超過500°C后，砌體強(qiáng)度會(huì)顯著降低、破碎而失去承重能力?；馂?zāi)荷

19、載密度大的建筑發(fā)生火災(zāi)后，溫度可超過1000°C，砌體的向火面和背火面必然產(chǎn)生很大的溫度差，向火面溫度高、膨脹大，背火面溫度低、膨脹小。因此，在砌體部會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而使砌體碎裂破壞。另一方面是碳酸鹽、硅酸鹽在高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，使砌體破壞。    鋼筋混凝土受熱后，其抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，失去承載能力。特別是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，受熱后會(huì)失去預(yù)加應(yīng)力，耐火性能反而不與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致混凝土各組成材料的熱膨脹系數(shù)不同，受熱溫度超過300°C時(shí)，組成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的水泥石脫水收縮，而骨料受熱膨脹，這種脹縮的不一致性，使混凝土中產(chǎn)生

20、很大的應(yīng)力，不但破壞水泥石、骨料、配筋間的粘結(jié)，而且會(huì)把包裹在骨料與配筋周圍的水泥石撐破。導(dǎo)致混凝土與鋼筋剝離，破壞了兩者的結(jié)和力。這些都使構(gòu)件的承重能力下降。根據(jù)以上觀點(diǎn)，我個(gè)人認(rèn)為火災(zāi)荷載密度的大小直接關(guān)系到火勢(shì)的猛烈程度，當(dāng)火災(zāi)荷載密度大時(shí)，火勢(shì)猛烈，升溫快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。建（構(gòu)）筑物倒塌事故隨時(shí)可能發(fā)生，且事故前兆很不明顯，允許人員逃生的時(shí)間極短，待人們察覺時(shí)，倒塌事故往往已經(jīng)造成了嚴(yán)重后果。尤其是大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后坍塌的案例不多，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)借鑒，也缺乏相應(yīng)的理論支持。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析，從發(fā)生火災(zāi)到坍塌的時(shí)間長(zhǎng)短不一。相似的建筑，有的在熊熊大火中燃燒幾十小時(shí)沒有發(fā)生坍塌，有的僅幾小時(shí)就發(fā)生了坍塌。參考文獻(xiàn)1 侯遵澤,瑞. 基于層次分析方法的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究J. 火災(zāi)科學(xué), 2004,(04) . 2 華軍，梅寧，程曉舫. 城市火災(zāi)危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)估J. 火災(zāi)科學(xué), 1995,(01) . 3 波 ,程明. 建筑火災(zāi)的防J. 消防, 2002,(12) . 4 吳啟鴻,萬才. 我國(guó)火災(zāi)形勢(shì)的總體評(píng)價(jià)與火災(zāi)防治對(duì)策J. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2001,(08) . 5 伍萍. 世界部分國(guó)家和城市火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比較(199