建筑結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀及對相關(guān)抗火問題的思考03

1、建筑結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀及對相關(guān)抗火問題的思考黑龍江省建筑結(jié)構(gòu)專家委員會1 火災的概念、發(fā)生頻度及目前抗火設(shè)計的考慮方法火災是指失去控制的火在其發(fā)展蔓延過程中給人類的生命財產(chǎn)造成損失的一種現(xiàn)象?；馂陌l(fā)生的頻度居各種災害之首，在各類火災中又以建筑火災損失最為嚴重。以2004年為例，我國建筑火災約發(fā)生25萬起、死亡約2千6百人、直接經(jīng)濟損失約為17億元人民幣；美國建筑火災約發(fā)生53萬起、死亡約3千9百人、直接經(jīng)濟損失約為82億美元?；馂倪€是最主要的次生災害之一，1906年美國舊金山地震引發(fā)火災，大火燒了三天三夜，燒毀520個街區(qū)；1923年日本關(guān)東地震引發(fā)火災，燒死5.6萬人。黑龍江省火災形勢同樣嚴峻

2、，2004年全省約發(fā)生建筑火災1萬5千起，死亡1百余人，直接財產(chǎn)損失約為3千5百萬元人民幣。1998年佳木斯市華聯(lián)商廈特大火災造成的直接經(jīng)濟損失約為3千6百萬元人民幣，2003年哈爾濱市天潭酒店特大火災造成33人葬身火海。因此，應對我省建筑結(jié)構(gòu)火災防范工作引起充分重視，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中進一步增強抗火意識。長期以來，建筑物的防火設(shè)計主要是由建筑師來完成的。建筑師根據(jù)房屋建筑的重要性、使用功能、層數(shù)、長度、面積、火災危險性、疏散、撲救難度以及其主、被動防火系統(tǒng)的設(shè)置等情況確定建筑物的耐火等級。然后根據(jù)建筑物的耐火等級確定其構(gòu)件的耐火極限要求，以保證受災人員轉(zhuǎn)移和消防隊員撲救的時間。我國公安部消防研

3、究所根據(jù)抗火試驗得到了一些不同類型、型號、防火保護的構(gòu)件所具備的耐火極限，供設(shè)計者選用，據(jù)此可完成部分建筑結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計。這些抗火試驗數(shù)據(jù)往往只出現(xiàn)在建筑防火規(guī)范或防火產(chǎn)品的質(zhì)量保證書中1、2。由于缺乏對結(jié)構(gòu)工程師的具體要求，我國在一般的建筑設(shè)計中是不進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火計算的。然而由于美國“9.11”事件和我國衡陽“11.3”大火等事故中建筑物的坍塌，結(jié)構(gòu)抗火已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。2 建筑結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀2.1 材料的高溫力學性能在短期高溫（比如火災）下，一般來說普通混凝土抗壓強度，在400以內(nèi)可以近似認為不變，700時約為其常溫時的40；建筑中常用的普通鋼材的屈服強度，在200以內(nèi)可近似

4、認為不變，550時約為其常溫時的40；預應力筋用高強鋼材條件屈服強度隨溫度升高將逐漸降低，到400時約為其常溫時的40，如圖1所示。經(jīng)歷過小于等于500高溫的普通混凝土在空氣中放置一年后其抗壓強度基本恢復，經(jīng)歷大于500高溫后抗壓強度比高溫下抗壓強度要低10203；普通鋼材所經(jīng)歷的溫度在600以下力學性能基本恢復；預應力筋用高強鋼材所經(jīng)歷的溫度在400以下時，高溫后內(nèi)力學性能大多可以恢復，經(jīng)歷600高溫后強度可以恢復至受損前的60左右。圖1 高溫下材料強度的退化2.2 溫度場溫度在時間域和空間域的分布，稱為溫度場?；馂南虏牧系牧W性能與溫度密切相關(guān)，弄清結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場是結(jié)構(gòu)抗火分析的前提。火

5、災時，熱量通過輻射、對流的方式傳遞給結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，再通過傳導向構(gòu)件內(nèi)部傳遞，經(jīng)過構(gòu)件背火面又傳給另一防火分區(qū)。2.2.1 建筑火災的模擬建筑火災的發(fā)展經(jīng)歷包括火災起始、充分發(fā)展、衰滅三個階段，是一個復雜的燃燒、傳熱、傳質(zhì)、湍流過程，與可燃物情況、空間特征、通風情況等許多因素有關(guān)。對火災的模擬可分為經(jīng)驗模擬、半經(jīng)驗半物理模擬、物理模擬三類。經(jīng)驗模擬是通過經(jīng)驗公式來模擬火災溫度隨時間的變化，物理模擬是以化學流體力學為基礎(chǔ)來模擬火災過程4、5。許多學者致力于探尋火災規(guī)律的研究，美國國家建筑與火災研究實驗室根據(jù)物理模擬模型和半經(jīng)驗半物理模擬模型分別開發(fā)了FDS和CFAST火災模擬軟件。2.2.2 標準

6、升溫曲線為了使各抗火試驗的結(jié)果能夠進行比較與利用，許多國家和組織都制訂了室內(nèi)火災標準升溫曲線，各曲線相近，我國采用的是國際標準化協(xié)會（ISO）給出的標準升溫曲線。前文所述的構(gòu)件耐火極限即是構(gòu)件抵抗該標準火作用的時間。當比較準確地知道影響火災的參數(shù)值時，也可采用參數(shù)化升溫曲線模擬火災，然后通過等效爆火時間的概念，將參數(shù)化升溫曲線與標準升溫曲線聯(lián)系起來。等效爆火時間為按參數(shù)化曲線升溫與按標準曲線升溫對構(gòu)件造成的損傷程度相同時的標準升溫時間，鋼結(jié)構(gòu)可取構(gòu)件溫度相同時的時間。標準升溫曲線和參數(shù)化升溫曲線均屬于經(jīng)驗模擬。2.2.3 構(gòu)件內(nèi)溫度場的計算構(gòu)件內(nèi)的傳導過程是一個非線性瞬態(tài)問題，求非穩(wěn)定溫度場主

7、要有四種方法即解析法、數(shù)值法、圖表法、實測法。一般認為溫度場不受應力場的影響，可不考慮受力過程而獨立計算。為了簡化計算，目前普遍偏于安全地假設(shè)構(gòu)件的溫度分布沿長軸方向不變，即簡化成無限大平板或無限長梁、柱的一維或二維問題，于是溫度場分析均可以以構(gòu)件截面為研究對象。鋼材是熱的良導體，輕型鋼構(gòu)件可假定截面上各點溫度相同，然后用簡化公式來估算有或沒有防火保護情況下的溫度值，重型鋼構(gòu)件可假定成溫度各自均勻的幾個部分?；炷潦菬岬牟涣紝w，其截面內(nèi)溫度梯度較大，對于復雜幾何形狀的物體和非線性邊界條件下的導熱問題很難直接求得其溫度場，研究中通常采用數(shù)值法求解。許多研究者開發(fā)了火災下構(gòu)件溫度場計算的專業(yè)程序

8、，一些通用的有限元軟件也可以計算構(gòu)件溫度場，計算結(jié)果均較為滿意?；炷敛牧现泻幸簯B(tài)水、物理吸附水和結(jié)晶水，水分的運動及蒸發(fā)對構(gòu)件溫度場有一定的影響，但計算混凝土內(nèi)部的水分運動及準確分析以多種形式存在的水分相變（這里指液體變成氣體）的吸熱是十分復雜的，因此目前計算混凝土構(gòu)件內(nèi)的溫度場時，一般在混凝土熱工參數(shù)的確定上間接考慮這一影響，而不直接計算。不考慮水分吸熱通常是偏于安全的，若在含水率較大的情況下，比如對后張有粘結(jié)預應力混凝土結(jié)構(gòu)用的灌漿料，可采用在100200之間調(diào)大混凝土比熱的方法（從100開始上升，130達到峰值，200回到原比熱值）來考慮水分的影響。2.3 結(jié)構(gòu)抗火計算方法2.3.1

9、 火災下構(gòu)件的破壞標志我國對抗火試驗中構(gòu)件的破壞標志規(guī)定如下6：對于梁和板，在試驗過程中垮坍或試件的最大撓度超過L/20（mm），表明試件達到耐火極限，L為構(gòu)件跨度；柱子在試驗過程中垮坍或軸向變形大于H/100（mm）或軸向變形速率大于3H/1000（mm/min）表明達到耐火極限，H為試件的受火高度；墻在試驗過程中垮坍表明達到耐火極限。當承重構(gòu)件同時起分隔作用時，構(gòu)件失去完整性或絕熱性也表明試件達到耐火極限。完整性判別標準為試件是否出現(xiàn)穿透裂縫。絕熱性判別標準為試件背火面的平均溫度超過試件表面初始溫度140或單點最高溫度超過初始溫度180。1999年國際標準化協(xié)會（ISO）7對抗火試驗中梁、

10、板的破壞標志修改為：最大撓度超過L/30后，撓度達到或超過L2/(400d)（mm）同時撓度變形率達到或超過L2/(9000d) （mm/min），表明達到耐火極限，d為拉、壓區(qū)邊緣間距離；對柱為軸向變形和變形率均達到上述對柱的限值，表明達到耐火極限。2.3.2 火災下承載能力極限狀態(tài)5、8、9對于承載能力極限狀態(tài)要求： （1）式中：Sf火災下荷載效應設(shè)計值； Rf火災下結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。 （2）式中 SGk、SQki、ST分別為永久荷載、第i種可變荷載和溫度作用標準值效應；G火災下永久荷載分項系數(shù)，可取1.0，常溫時由可變荷載控制的為1.2、由永久荷載控制的為1.35；Qi火災下第i種可變

11、荷載分項系數(shù)，可取1.0，常溫時一般情況為1.4，對標準值大于4kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載為1.3；f火災下可變荷載Qi的組合值系數(shù)，其取值尚待商榷，美國ACI規(guī)范中取1.0，歐洲Eurocode規(guī)范中取小于1的值，我國不同學者的取法不一；T溫度作用分項系數(shù)，可取1.0。 （3）式中 kT火災下構(gòu)件抗力的衰減系數(shù)；截面溫度均勻的鋼結(jié)構(gòu)可直接取材料的強度衰減系數(shù)，對溫度不均勻的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)要綜合地考慮不同位置材料強度的衰減； m常溫下材料的分項系數(shù)，鋼材分項系數(shù)為1.1、混凝土分項系數(shù)為1.4，即對鋼結(jié)構(gòu)和混凝土構(gòu)件抗彎計算時可取1.1，對混凝土構(gòu)件其它受力形式鋼筋部分和混凝土部

12、分分開考慮；mf火災下材料的分項系數(shù)，可取1.0； R常溫下結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。 從本質(zhì)上講式（1）中高溫下荷載及材料分項系數(shù)基本均為標準值。鋼結(jié)構(gòu)抗火驗算也可采用臨界溫度的方法，曾經(jīng)粗略地估計鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度在550左右，現(xiàn)在多通過如式（4）所示的荷載水平0計算或查表得到構(gòu)件的臨界溫度，然后再通過簡化方法或查表得到帶防火保護的鋼材的溫度，若小于臨界溫度則說明結(jié)構(gòu)抗火滿足要求。 （4）受壓鋼構(gòu)件須考慮火災下的穩(wěn)定系數(shù)，歐洲Eurocode規(guī)范在計算0中的R時考慮了火災下的穩(wěn)定系數(shù)。2.3.3 性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計目前基于標準升溫曲線考慮構(gòu)件火災下支承條件影響的構(gòu)件抗火驗算是主要的計算方法。然而實

13、際火災是千差萬別的，不同業(yè)主對房屋的抗火要求也可能是不同的，于是根據(jù)建筑物的具體情況確定設(shè)計目標及處理方法的結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計被提出來了。某些體育場、露天停車場、機場屋頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)部分未做防火保護，達不到耐火極限要求但也認為是安全的。近年來我國研發(fā)了綜合考慮抗火性能、抗震性能、造價等因素的建筑用耐火鋼，它在600時屈服強度不低于常溫時屈服強度的2/3。盡管耐火鋼在鋼材造價上比普通建筑用鋼高，但可以少做或不做防火保護，同時也可以回避防火涂料耐久性、抗沖擊性能差的缺點，因此對綜合效益進行性能化分析是十分有意義的。3. 對若干問題的思考3.1 應加強對加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能與設(shè)計方法的研究粘鋼加固、

14、碳纖維片材加固、植筋加固等方法已廣泛應用于混凝土工程的加固。它們的共同點是通過建筑結(jié)構(gòu)膠來使后置片材(鋼板、碳纖維片材等)和后植鋼筋與原混凝土整體工作的。環(huán)氧類有機膠并不耐火，最高適宜使用溫度一般在60左右，在更高的溫度下會發(fā)生化學反應而喪失粘結(jié)強度。一旦發(fā)生火災則極易引起加固材料的剝離。建筑設(shè)計防火規(guī)范1、高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范2等均未給出加固混凝土構(gòu)件所具備的耐火極限，消防部門審查時也無據(jù)可依。加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能如何，如何做防火保護亟待研究。3.2 應加強對火災引起的次內(nèi)力的研究火災引起的支座反力為溫度次反力，與這一次反力對應的結(jié)構(gòu)內(nèi)力為溫度次內(nèi)力。超靜定混凝土連續(xù)梁由于在受火過程

15、中的溫度變形受到限制會產(chǎn)生溫度次反力和溫度次內(nèi)力，次內(nèi)力應參與和外載效應的組合，共同構(gòu)成荷載效應組合值。在框架結(jié)構(gòu)等房屋發(fā)生火災時，梁要產(chǎn)生水平橫向變形，即有受火伸長的趨勢，不但會引起梁自身的溫度內(nèi)力，也會引起柱的附加內(nèi)力，柱的荷載效應組合應考慮這一荷載效應的影響。3.3 應加強對懸鏈線效應的研究英國Broadgate火災持續(xù)了4、5個小時，沒有防火保護的鋼結(jié)構(gòu)框架并沒未倒塌10；英國Cardington系列試驗中的鋼結(jié)構(gòu)局部（單個房間）受火試驗，水平構(gòu)件最大撓度超過了1000mm但這個結(jié)構(gòu)也未坍塌，見圖2，主要是懸鏈線效應發(fā)揮了作用。圖2 Cardington試驗后照片懸鏈線效應的本質(zhì)是火災

16、下水平受彎構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)榛馂南轮皇茌S向拉力的索，這個索所提供的等效荷載不小于外荷載。因此在進行鋼框架和混凝土框架設(shè)計時，應確保臨近背火面的有效鋼材（筋）面積應能有效發(fā)揮拉索作用，且所提供的等效荷載不小于火災時的外荷載。因此，我們應增加火災下結(jié)構(gòu)懸鏈線效應的設(shè)計內(nèi)容。當然，要保證可靠的懸鏈線效應，柱子等豎向構(gòu)件及節(jié)點在高溫下的安全是前提條件。3.4 應加強底部框架房屋抗火設(shè)計研究南昌萬壽宮商城和衡陽商住兩用樓都是底部框架房屋（即常說的底框上混房屋）。這兩棟房屋設(shè)計時均未考慮抗震設(shè)防，分別在起火2小時20分和3小時50分坍塌。應加強底部框架房屋抗火設(shè)計研究，特別是非抗震設(shè)防區(qū)和6度設(shè)防區(qū)底部框架房屋的

17、抗火設(shè)計方法研究。3.5 應加強火災下混凝土爆裂機理及防爆裂措施研究11、12在英法海峽隧道和丹麥Great Belt隧道的火災中均發(fā)生了密實混凝土嚴重爆裂的現(xiàn)象。爆裂可能是由于火災下各種形式存在于混凝土中的水份產(chǎn)生了蒸汽壓力，高性能混凝土結(jié)構(gòu)的致密性或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓應力使這種蒸汽壓力積聚并最終導致的結(jié)果。由于高性能混凝土具有的密實結(jié)構(gòu)和低滲透性帶來了其高強度、高抗凍性、高耐久性的優(yōu)點，也帶來了易于爆裂的缺點。預應力混凝土結(jié)構(gòu)，普通混凝土連續(xù)構(gòu)件的壓區(qū)受火部分及高軸壓比柱子中的壓應力抑制了裂縫的產(chǎn)生，水份不易逸出，爆裂的可能性增大。構(gòu)件角部較容易爆裂，板比梁較容易爆裂，對普通混凝土來說試驗室中比

18、實際火災中較容易爆裂。普通混凝土在實際火災中爆裂的少，除了齡期長水分少這一最主要因素之外，部分構(gòu)件離火焰較遠、升溫速度慢可能也是原因之一。試驗已經(jīng)證明S.Chandra等人提出的在制備混凝土時添加低熔點有機聚合物的方法對高性能混凝土抗爆裂性能有較大的改善。通常添加的有機聚合物是聚丙烯纖維，其熔點在170左右，熔化后形成多向的孔道，它可能為高壓水蒸汽提供了逸出的通道，同時通道也便于混凝土裂縫的開展與延伸，裂縫能減小濕度梯度和熱應力。增設(shè)鋼絲網(wǎng)水泥砂漿面層或其它防火材料對防止混凝土爆裂也能起到一定的作用。應加強對不同品種、不同約束條件、不同受力狀況的混凝土火災下爆裂機理與防爆裂措施研究。3.6 應

19、避免火災后結(jié)構(gòu)坍塌造成的二次危害一般來說受火時間較長的火災受火后的1或2天內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)仍有坍塌的危險。珠海市裕新織染廠廠房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，起火后約10個小時主火被撲滅，又過了約11個小時，在清理火場時廠房突然坍塌，造成了大量人員傷亡。2000年7月19日埃及亞歷山大市一紡織廠的6層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災，火災持續(xù)了約9個小時，在主火基本被撲滅的情況下，消防隊員調(diào)查災情時廠房突然坍塌。文獻13中提到了一個鋼筋混凝土廠房，火災后快半個月了，在進行清理工作時突然坍塌?；馂暮蠓课萏脑蚩赡苡校?、火災后混凝土強度要比火災下強度低。2、對梁、板來說若火災下產(chǎn)生了大的變形火災后冷卻收縮，整體性好

20、的話會引起較大的拉力，進一步危及構(gòu)件；整體性不好的話會增大從支座處滑脫的危險。3、滅火及火場清理時的不利作用。應開展火災后結(jié)構(gòu)損傷評估研究，避免火災后結(jié)構(gòu)坍塌造成二次危害，同時也為受火災后房屋的修復提供依據(jù)。3.7 應加強房屋火災撲救方案的研究我國很多城市都開展了城市抗震能力的評估研究工作，為房屋建立了抗震能力檔案。我們應該開展城市抗火能力評估研究，對城市的房屋都分別給出抗火能力和發(fā)生火災時的火災合理撲救方案。對于抗火能力達不到要求的房屋應采取可靠措施予以補救。對于要撲滅火源付出比房屋坍塌更為慘烈代價的情況，可能最好的方案是在保證居民安全疏散之后，避免火勢蔓延即可。3.8 其它應加強火災下結(jié)構(gòu)整體牢固性設(shè)計方法研究，加強結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計原則的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)，編制結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計標準。參 考 文 獻1 GBJ16-87建筑設(shè)計防火規(guī)范（2001年版）S2 GB50045-95高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范（2003年版）S3 A.米洛瓦諾夫著，周永銓譯耐熱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算M北京：冶金工業(yè)出版社，19814 劉永軍, 李宏男建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究回顧及展望J防災減災工程學報, 2004，24（2）：219-2265 李國強, 蔣首超, 林桂祥鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計M北京：中國