淺談建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計

高寶宇

（雙鴨山市建筑設(shè)計院，黑龍江 雙鴨山 155100）

近幾十年來，我國的高層建筑發(fā)展非常迅速，建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的問題也日益突出，這些都迫切需要進行結(jié)構(gòu)抗火性能的研究?，F(xiàn)代建筑中大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有的研究成果，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)(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(xué)性能嚴重惡化，高溫下材料性能的變化是結(jié)構(gòu)的承載力和耐火極限嚴重下降的一個主要原因。另外結(jié)構(gòu)受火時受火面溫度隨周圍環(huán)境溫度迅速升高，但由于混凝土的熱惰性，內(nèi)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(dǎo)致不等的溫度變形和截面應(yīng)力重分布，這些變化都足以危及結(jié)構(gòu)的安全性，某些情況下會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

1 建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計的目地

1.1 建筑物在給定火災(zāi)條件下(火災(zāi)荷載、通風(fēng)條件、結(jié)構(gòu)形式等)，其結(jié)構(gòu)能否確保穩(wěn)定而不倒塌;

1.2 如果評估結(jié)果是將發(fā)生倒塌，應(yīng)采取什么技術(shù)措施予以避免。

2 建筑結(jié)構(gòu)的耐火等級

耐火等級是衡量建筑物耐火程度的分級標(biāo)度，耐火等級高的建筑物，發(fā)生火災(zāi)的次數(shù)少，火災(zāi)時被火燒壞、倒塌的很少；耐火等級低的建筑，發(fā)生火災(zāi)概率大，火災(zāi)時往往容易被燒壞，造成局部或整體倒塌，火災(zāi)損失大.對于不向類型、性質(zhì)的建筑提出不同的耐火等級要求，可做到既有利于消防安全，又有利于節(jié)約基本建設(shè)投資。建筑物具有較高的耐火等級，可以起到以下幾方面的作用:

2.1 在建筑物發(fā)生火災(zāi)時，確保其能在一定的時間內(nèi)不破壞，不傳播火災(zāi)，延緩和阻止火勢的蔓延。

2.2 為人們安全疏散提供必要的疏散時間，保證建筑物內(nèi)人員安全脫險。建筑物層數(shù)越多，疏散到地面的距離就越長，所需疏散時間也愈長。為了保證建筑內(nèi)人員安全疏散，在設(shè)計中除了要周密地考慮完善的安全疏散設(shè)施外，還要做到承重構(gòu)件具有足夠的耐火能力。

2.3 為消防人員撲救火災(zāi)創(chuàng)造有利條件。撲救建筑火災(zāi)，消防人員大多要進人建筑物內(nèi)進行撲救。如果其主體結(jié)構(gòu)沒有足夠的抵抗火燒的能力，在較短時間內(nèi)發(fā)生局部或全部破壞、倒塌，不僅會給消防撲救工作造成許多困難，而且還可能造成重大傷亡事故。

2.4 為建筑物火災(zāi)后重新修復(fù)使用提供有利條件。在通常情況下，其主體結(jié)構(gòu)耐火能力好，抵抗火燒時間長，則其火災(zāi)時破壞少，災(zāi)后修復(fù)快。

3 建筑構(gòu)件的燃燒性能

建筑構(gòu)件的燃燒性能，反映了建筑構(gòu)件遇火燃燒或高溫作用時的燃燒特點，它由制成建筑構(gòu)件的材料的燃燒性能而定。不同燃燒性能建筑材料制成的建筑構(gòu)件，可分為三類:

3.1 不燃燒體

用通過國家標(biāo)準《建筑材料不燃性試驗方法》(GB 5464-85)試驗合格的材料，即不燃性材料制成的建筑構(gòu)件稱為不燃燒體。這種構(gòu)件在空氣中受到火燒或高溫作用時，不起火、不微燃、不碳化。如磚墻、磚柱，鋼筋混凝土梁、板、柱，鋼梁等。

3.2 難燃燒體

用通過國家標(biāo)準《建筑材料難燃性試驗方法》(GB 8625-88)試驗合格的材料制成的構(gòu)件，或用可燃性材料作基層，而用不燃性材料作保護層(或隔熱層)的構(gòu)件稱為難燃燒體。這類構(gòu)件在空氣中受到火燒及高溫作用時，難起火、難微燃、難碳化，當(dāng)火源移走后，燃燒或微燃立即停止。如阻燃膠合板吊頂、經(jīng)阻燃處理的木質(zhì)防火門、木龍骨板條抹灰隔墻等。

3.3 燃燒體

用普通可燃性或易燃性材料制成的建筑構(gòu)件稱為燃燒體。這類構(gòu)件在明火或高溫作用下，能立即著火燃燒，且火源移走后，仍能繼續(xù)燃燒或微燃。如木柱、木屋架、木擱柵、纖維板吊頂?shù)取?/p>

4 我國現(xiàn)有設(shè)計方法的缺陷

4.1 建筑物耐火等級的選定不易操作。目前，建筑物功能趨于復(fù)雜化和綜合化，不同功能區(qū)域的火災(zāi)性狀差別很大，設(shè)計值無法選擇合理的建筑物耐火等級。

4.2 構(gòu)件的耐火極限要求不夠合理?；馂?zāi)荷載這一重要因素考慮得不夠充分。在相同火災(zāi)荷載情況下，火災(zāi)的發(fā)展性狀還與失火房間的大小、形狀、開窗面積等因素有很大關(guān)系，現(xiàn)有方法沒有考慮這些因素。

4.3 構(gòu)件耐火極限的確定方法不夠科學(xué)。規(guī)范所給出的耐火極限值主要根據(jù)一定條件下的有限次試驗結(jié)果，不能涵蓋所有的因素。特別是，實際結(jié)構(gòu)的耐火極限與火災(zāi)發(fā)生時構(gòu)件的應(yīng)力水平密切相關(guān)，即結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性是重力荷載和火災(zāi)荷載共同作用的結(jié)果?，F(xiàn)有方法沒有反映這一特點。

5 當(dāng)前耐火設(shè)計研究發(fā)展趨勢

由于科技水平的發(fā)展，尤其是高速計算機的廣泛應(yīng)用與普及，使人們利用結(jié)構(gòu)分析方法進行耐火設(shè)計成為可能。同時，人們也逐漸認識到，利用標(biāo)準耐火試驗結(jié)果去直接指導(dǎo)實際耐火設(shè)計具有相當(dāng)片面性；單一承重構(gòu)件的耐火性能和實際的結(jié)構(gòu)單元(如連續(xù)梁、框架等)相差甚遠，破壞機理也不盡相同。所以，目前研究趨勢為:

5.1 用過去標(biāo)準耐火實驗研究方法 (破壞性試驗)掌握了各類構(gòu)件在火災(zāi)溫度和重力荷載共同作用下的破壞機理后，建立構(gòu)件在火災(zāi)條件下的分析模型，使用計算機數(shù)值模擬研究更為科學(xué)合理，因為該方法可以考慮更多的影響因素，使構(gòu)件的工作條件更符合實際而費用更為低廉，所以研究方法正在由構(gòu)件的破壞性試驗方法向結(jié)構(gòu)分析方法過渡。

5.2 由于單一構(gòu)件在火災(zāi)中產(chǎn)生的溫度內(nèi)力與框架或其他超定靜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力差別甚大，所以研究對象正在由單一構(gòu)件轉(zhuǎn)向構(gòu)件組合單元。

5.3 由于鋼結(jié)構(gòu)耐火研究開展較早，研究得也較深人，而混凝土結(jié)構(gòu)已被證明同樣會在火災(zāi)中塌垮，所以研究的結(jié)構(gòu)形式正在由鋼結(jié)構(gòu)向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展。

5.4 由于建筑功能的多變性，主要體現(xiàn)在火災(zāi)荷載和通風(fēng)條件的變化，用標(biāo)準溫度一時間曲線作為所有構(gòu)件的受火條件，確實很難反映構(gòu)件在實際火災(zāi)中的工作條件，所以受火條件正趨于用按預(yù)測計算得到的失火分區(qū)平均溫度一時間曲線代替一呈不變的標(biāo)準升溫曲線。

6 耐火設(shè)計方法探索

6.1 根據(jù)失火分區(qū)具體情況，即火災(zāi)荷載大小、通風(fēng)參數(shù)、分區(qū)分隔物材料熱參數(shù)預(yù)測計算分區(qū)火災(zāi)溫度～時間關(guān)系，以此作為構(gòu)件升溫曲線或以標(biāo)準升溫曲線作為受火條件。

6.2 建立構(gòu)件導(dǎo)熱微分方程，輸人構(gòu)件材料熱參數(shù)和定解條件，解算構(gòu)件截面溫度場。

6.3 由結(jié)構(gòu)理論建立構(gòu)件抗力計算模型，按溫度場計算結(jié)果確定相應(yīng)的材料力學(xué)設(shè)計參數(shù)，計算構(gòu)件抗力RF。

6.4 確定火災(zāi)時構(gòu)件可能承受的重力荷載即有效荷載，用力學(xué)分析方法計算構(gòu)件在有效荷載和溫度共同作用下的荷載效應(yīng)SF。

6.5 比較RF和SF，當(dāng)RF≥SF時，結(jié)構(gòu)可保證穩(wěn)定而不倒塌，設(shè)計結(jié)束；當(dāng)RF＜SF時，結(jié)構(gòu)不能保證穩(wěn)定，需作耐火補充設(shè)計，即改變分區(qū)狀況或構(gòu)件截面幾何參數(shù)，重新計算直至滿足要求。

結(jié)束語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計最終的目地是為了保證火災(zāi)發(fā)生時以及發(fā)生后結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，不至于整體倒塌，從而為人員的疏散贏得時間，為消防人員撲救火災(zāi)創(chuàng)造安全環(huán)境，為災(zāi)后修復(fù)提供有利條件，這是我們設(shè)計人員在進行工作時需要持有的理念。

[1]邱洪興.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].東南大學(xué)出版社，2002.

[2]趙玉星.常用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].華中科技大學(xué)出版社，2008.

[3]王學(xué)謙.全國注冊結(jié)構(gòu)工程師繼續(xù)教育必讀系列教材，建筑防火[M].中國建筑工業(yè)出版社，2000.