結(jié)構(gòu)抗火性能試驗(yàn)研究綜述

曹博 褚作勇

摘要：火災(zāi)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要問(wèn)題，火災(zāi)的高溫影響材料的力學(xué)性能，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載能力，造成嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。文章在大量查閱前人工作成果的基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)為切入點(diǎn)，首先分析了火災(zāi)下空氣和結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，然后從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)三個(gè)層面介紹了結(jié)構(gòu)抗火研究的主要內(nèi)容，分析其中存在的問(wèn)題并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗火;試驗(yàn)研究;溫度場(chǎng);材料;構(gòu)件;結(jié)構(gòu);損傷加固

一、研究背景

結(jié)構(gòu)抗火向來(lái)是工程防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要問(wèn)題。2001年9月11日，美國(guó)紐約世貿(mào)中心雙塔受到恐怖主義飛機(jī)撞擊，飛機(jī)燃油引起的大火使承重鋼結(jié)構(gòu)融化，導(dǎo)致兩塔完全倒塌;2009年2月9日，在建的北京中央電視臺(tái)新大樓北配樓由于違法燃放煙花發(fā)生特大火災(zāi)。2019年4月15日，法國(guó)巴黎圣母院發(fā)生大火，建筑損毀嚴(yán)重，對(duì)人類文化遺產(chǎn)帶來(lái)了無(wú)法估量的損失^[1]。

結(jié)構(gòu)抗火的研究?jī)?nèi)容，從研究方法上分為理論分析與試驗(yàn)?zāi)M，從材料上分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，按研究的具體內(nèi)容又分為材料、構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)三個(gè)層面。文章以結(jié)構(gòu)抗火性能試驗(yàn)為切入點(diǎn)，介紹結(jié)構(gòu)抗火領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容，總結(jié)近年來(lái)的研究成果，分析其中存在的問(wèn)題，展望未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為后來(lái)的學(xué)者提供參考。

二、結(jié)構(gòu)抗火研究?jī)?nèi)容

（一）火災(zāi)溫度場(chǎng)

要研究建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)和抗火性能，首先需要確定外部加熱條件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布隨時(shí)間變化的曲線?；馂?zāi)中空氣的升溫主要取決于可燃物的數(shù)量和通風(fēng)情況，對(duì)于一般室內(nèi)火災(zāi)，學(xué)者們提出了多個(gè)基于參數(shù)化的升溫模型，如馬忠誠(chéng)模型、ASCE模型、歐洲規(guī)范模型等，但一般民用建筑火災(zāi)采用偏于安全的ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線即可?；馂?zāi)升溫曲線一般通過(guò)火災(zāi)試驗(yàn)爐來(lái)實(shí)現(xiàn)。

時(shí)旭東和過(guò)鎮(zhèn)海采用Galerkin有限單元法，計(jì)算了在已知的火災(zāi)溫度和時(shí)間的對(duì)數(shù)關(guān)系，如標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沿截面的二維溫度場(chǎng)分布，并與三面受火鋼筋混凝土構(gòu)件升溫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，具有較高的精度^[2]。陸洲導(dǎo)和徐朝暉對(duì)鋼骨混凝土柱在火災(zāi)下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證^[3]。

隨著大空間結(jié)構(gòu)在體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、超市等建筑中廣泛應(yīng)用，其獨(dú)特的火災(zāi)反應(yīng)成為學(xué)者們關(guān)注的問(wèn)題。這類結(jié)構(gòu)一般采用鋼結(jié)構(gòu)來(lái)縮減構(gòu)件尺寸，其溫度場(chǎng)分析對(duì)于性能化防火設(shè)計(jì)非常重要，需要考慮煙氣擴(kuò)散和通風(fēng)等條件，屬于三維情況下的非穩(wěn)態(tài)分析。

（二）材料

了解結(jié)構(gòu)的材料在高溫下的力學(xué)性能和熱工性能，是結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)。國(guó)際上從20世紀(jì)50年代開始對(duì)混凝土和鋼的高溫材性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，并擬合出相應(yīng)的計(jì)算公式。國(guó)內(nèi)起步較晚，從20世紀(jì)80年代開始，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等出現(xiàn)了一批學(xué)者致力于結(jié)構(gòu)抗火領(lǐng)域的研究。

混凝土是一種不均勻的各向異性材料，由于內(nèi)部存在孔隙和水，在高溫時(shí)水蒸氣和空氣劇烈膨脹，會(huì)出現(xiàn)特有的高溫爆裂現(xiàn)象，對(duì)力學(xué)性能十分不利?；炷恋母邷乇咽艿缴郎厮俾?、混凝土強(qiáng)度、含水率、水灰比、骨料種類、截面尺寸、鋼筋保護(hù)層厚度、養(yǎng)護(hù)方式、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素的影響，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性較大，很難在爆裂起始時(shí)間及爆裂深度與各影響因素之間建立起定量的聯(lián)系。目前對(duì)混凝土高溫爆裂機(jī)理的解釋有蒸汽壓力、熱應(yīng)力和熱開裂三種理論，但國(guó)內(nèi)外仍有爭(zhēng)議。學(xué)者們發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土相比普通混凝土耐火性能較差，更易發(fā)生高溫爆裂，但適當(dāng)摻入PP纖維或鋼纖維，可以有效防止混凝土高溫爆裂^[4]。

混凝土的高溫徐變和鋼材的高溫蠕變會(huì)影響火災(zāi)下結(jié)構(gòu)反應(yīng)，尤其是對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，高溫下預(yù)應(yīng)力筋的蠕變會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的預(yù)應(yīng)力損失，這也使得預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相對(duì)普通結(jié)構(gòu)需要更高的抗火性能。周煥廷等研究了1860級(jí)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線的高溫蠕變，擬合出蠕變與時(shí)間關(guān)系計(jì)算式，并對(duì)蠕變后的試件恢復(fù)到常溫重新進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，得出高溫蠕變對(duì)恢復(fù)到常溫后的抗拉強(qiáng)度影響較小的結(jié)論^[5]。

（三）構(gòu)件

目前我國(guó)主要采用傳統(tǒng)的“處方式”防火設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑的重要性、火災(zāi)的危險(xiǎn)性以及構(gòu)件的重要性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)試件在標(biāo)準(zhǔn)升溫試驗(yàn)下的耐火試驗(yàn)，以耐火時(shí)間的形式確定每個(gè)構(gòu)件的耐火等級(jí)和耐火極限，以此作為消防設(shè)計(jì)的規(guī)范。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)由于優(yōu)良的性能，在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。韓林海等進(jìn)行了鋼管混凝土柱耐火極限和火災(zāi)后剩余承載力的試驗(yàn)研究。節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，梁-柱、梁-梁等節(jié)點(diǎn)往往更容易發(fā)生破壞，其在火災(zāi)下的反應(yīng)也應(yīng)重點(diǎn)考慮。

（四）結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)涉及所有構(gòu)件的協(xié)同受力和升溫后的內(nèi)力重分布，每一個(gè)構(gòu)件都處在復(fù)雜的受力與邊界條件約束中，單一構(gòu)件的失效往往不會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞，“處方式”的設(shè)計(jì)方法是保守而不完善的。這就需要整體結(jié)構(gòu)層面的火災(zāi)試驗(yàn)研究。

相比于國(guó)外的研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于足尺模型的抗火試驗(yàn)起步較晚，案例較少，而且主要集中于簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)，研究者往往選擇使用有限元軟件進(jìn)行模擬，但計(jì)算機(jī)模擬難以反映真實(shí)的火災(zāi)作用，進(jìn)行一定的整體結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)是必要且有意義的。

英國(guó)BRE對(duì)一個(gè)8層鋼框架進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)試驗(yàn)，分析了整體結(jié)構(gòu)的約束作用對(duì)梁、板、柱在火災(zāi)下反應(yīng)的影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如果節(jié)點(diǎn)連接可靠，結(jié)構(gòu)中的梁和板可以發(fā)生很大的撓曲變形而不破壞，而柱會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生較大的彎矩^[6]。

（五）火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估與加固修復(fù)

火災(zāi)不一定導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌，而只是對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，受火后的結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用是工程中關(guān)注的重要問(wèn)題，這就需要準(zhǔn)確評(píng)估鑒定火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷程度，并確定合理的修復(fù)加固方案，使修復(fù)后結(jié)構(gòu)能夠滿足安全和正常使用的條件，這會(huì)帶來(lái)可觀的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。2B6607E2-ECAB-4CF2-ABD7-EC10033F7B91

《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 252—2009）給出了建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)后力學(xué)性能評(píng)估的一般程序?；馂?zāi)后結(jié)構(gòu)的初步鑒定，是通過(guò)調(diào)查火災(zāi)情況，觀測(cè)結(jié)構(gòu)表面特征，包括顏色、裂縫、脫落、鋼筋、變形等，初步劃分結(jié)構(gòu)構(gòu)件受火損傷等級(jí)。結(jié)構(gòu)損傷詳細(xì)評(píng)估的主要指標(biāo)是結(jié)構(gòu)剩余承載力，其檢測(cè)內(nèi)容主要包括火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度檢測(cè)、構(gòu)件燒傷深度檢測(cè)等幾個(gè)方面。對(duì)于高溫后材料和構(gòu)件的性能和受損情況已有大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果。

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（TRC）是一種新型的高性能水泥基復(fù)合材料，采用TRC加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，是目前加固工程領(lǐng)域的一種新方式^[7]。

經(jīng)歷了升降溫過(guò)程后，結(jié)構(gòu)中往往會(huì)有不可忽視的殘余應(yīng)力和殘余變形，但這些在構(gòu)件的火災(zāi)后性能評(píng)估中無(wú)法體現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于整體結(jié)構(gòu)火災(zāi)后力學(xué)性能評(píng)估方法的研究成果還較少，也沒(méi)有相關(guān)規(guī)范指導(dǎo)。確定火災(zāi)溫度場(chǎng)分布，建立整體結(jié)構(gòu)火災(zāi)數(shù)值模擬的計(jì)算模型，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)后力學(xué)性能評(píng)估，探索完整科學(xué)的損傷評(píng)估體系，是今后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估研究工作的重點(diǎn)。

三、研究趨勢(shì)與展望

（一）隨機(jī)火災(zāi)作用研究與可靠度設(shè)計(jì)

火災(zāi)實(shí)際上是一種隨機(jī)作用，其發(fā)生的概率，發(fā)生時(shí)作用的位置與大小都是不可預(yù)測(cè)的?？紤]真實(shí)火災(zāi)特點(diǎn)，更加準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，把火災(zāi)作用和耐火極限與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中“荷載”和“抗力”的概念相對(duì)應(yīng)，建立基于概率模型的可靠度設(shè)計(jì)方法，以滿足結(jié)構(gòu)抗火的性能化目標(biāo)。

（二）高溫性能機(jī)理的研究

精細(xì)、準(zhǔn)確、通用的高溫材料模型，是性能化防火設(shè)計(jì)不可缺少的條件。對(duì)于混凝土高溫爆裂的機(jī)理與定量分析，目前尚未形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)并應(yīng)用，對(duì)其高溫性能的試驗(yàn)研究是不變的話題。溫度與荷載的耦合作用是材料性能進(jìn)一步研究的重點(diǎn)，包括不同的溫度-荷載路徑、降溫段的力學(xué)性能、反復(fù)升降溫、多軸應(yīng)力下的高溫性能等。

（三）火災(zāi)后評(píng)估修復(fù)系統(tǒng)化理論

目前主要通過(guò)表觀觀測(cè)和材料檢測(cè)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的剩余承載力，表示結(jié)構(gòu)的受損程度。但缺少對(duì)于結(jié)構(gòu)殘余變形和殘余應(yīng)力的分析，沒(méi)有定量判斷結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)的評(píng)估方法。探討對(duì)于結(jié)構(gòu)更加科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)估方法與經(jīng)濟(jì)高效的火災(zāi)后加固方法，是未來(lái)火災(zāi)后結(jié)構(gòu)評(píng)估修復(fù)的研究方向。

（四）新型結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)與理論研究

近年來(lái)，上百米的超高層建筑在中國(guó)各地拔地而起，但高層結(jié)構(gòu)更易受部分區(qū)域火災(zāi)影響導(dǎo)致整體破壞，對(duì)于防火性能有更高的要求;地下空間結(jié)構(gòu)可以更加高效地利用城市面積，但由于地下空間狹小封閉，火災(zāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的煙氣而且難以排除，多層地下空間發(fā)生火災(zāi)時(shí)危險(xiǎn)更大，地下空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的耐火極限要求往往相對(duì)地上空間構(gòu)件大很多;跨結(jié)構(gòu)由于靈活美觀的外表與巨大的內(nèi)部空間，頗受建筑師們喜愛(ài)，但傳統(tǒng)的抗火理論難以適用這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型。

（五）結(jié)構(gòu)抗火試驗(yàn)新技術(shù)

發(fā)展以性能為基礎(chǔ)的防火設(shè)計(jì)理論，需要大量整體結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)一步開展足尺結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)，并發(fā)展縮尺模型的相似比理論。對(duì)于火災(zāi)試驗(yàn)縮尺模型相似理論的研究，目前才剛剛起步，還沒(méi)有形成簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)化理論，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。

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