鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法研究綜述

李安然 李秋明

摘要：本文對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對比和分析，總結(jié)了耐火極限設(shè)計(jì)方法、等效荷載法、驗(yàn)算承載力法、試驗(yàn)和有限元分析綜合法、性能化設(shè)計(jì)方法，提出了有必要基于建筑物的整體消防安全目標(biāo)來確定結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)抗火;設(shè)計(jì)方法

前 言

火災(zāi)給人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失，而在各種類型的火災(zāi)中，建筑火災(zāi)的發(fā)生最頻繁，造成的損失也最大。在火災(zāi)作用下，由于混凝土和鋼筋的材料性能嚴(yán)重劣化，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部將發(fā)生劇烈的內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)變形顯著加劇，從而使得結(jié)構(gòu)的性能大大削弱，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全。為保證混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中和火災(zāi)后的安全性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)勢在必行。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法研究的目的是制定一套合理、方便、實(shí)用的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法，確保結(jié)構(gòu)在火災(zāi)的一定期限內(nèi)具有足夠的承載力，以便組織人員撤離，消防人員滅火等工作的進(jìn)行。

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法

1.耐火極限設(shè)計(jì)方法

根據(jù)我國的抗火設(shè)計(jì)規(guī)范《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16-87）和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045-95），首先根據(jù)建筑物的重要性、火災(zāi)危險(xiǎn)性、建筑層數(shù)面積等因素選定建筑物的耐火等級(jí);然后由耐火等級(jí)確定相應(yīng)承重構(gòu)件的耐火極限;最后設(shè)計(jì)承重構(gòu)件，由標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)或規(guī)范給出的各種承重構(gòu)件的耐火極限數(shù)值來核準(zhǔn)構(gòu)件實(shí)有的耐火極限，如不滿足，需重新設(shè)計(jì)構(gòu)件，直至滿足[1]。這種方法優(yōu)點(diǎn)是方便可行，但存在耐火等級(jí)劃分考慮因素不周，耐火極限確定過于粗略等缺點(diǎn)。

2.等效荷載法

將火災(zāi)下的高溫作用看成是一種等效荷載[2]，即火災(zāi)結(jié)構(gòu)分析問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)承受由溫度增加引起的不平衡荷載下問題，火災(zāi)的等效荷載與恒載、活載、風(fēng)載、地震作用等共同荷載效應(yīng)組合，按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即建立考慮火災(zāi)高溫作用的統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

3.驗(yàn)算承載力法

對常規(guī)方法設(shè)計(jì)的混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗火能力和耐火穩(wěn)定性驗(yàn)算[3-4]，驗(yàn)證是否滿足抗火要求。如不能保持穩(wěn)定性，按下面方式重新設(shè)計(jì)混凝土構(gòu)件：①根據(jù)房間布局，火災(zāi)荷載大小確定當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間;②按當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間確定構(gòu)件的溫度場，并計(jì)算其高溫承載力;③確定構(gòu)件火災(zāi)時(shí)的有效荷載，在此荷載下分析構(gòu)件內(nèi)力;④驗(yàn)算構(gòu)件的耐火穩(wěn)定性，若不滿足構(gòu)件高溫承載力大于構(gòu)件內(nèi)力，則需進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)，直至滿足。設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 驗(yàn)算承載力的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫設(shè)計(jì)方法

Fig.1 High temperature reinforced concrete design method of calculating bearing capacity

這種方法考慮構(gòu)件的受力大小與受力形式、構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件的約束形式對構(gòu)件抗火能力的影響，利用熱傳導(dǎo)理論和結(jié)構(gòu)理論通過分析確定構(gòu)件的抗火能力，更符合客觀實(shí)際。

4.試驗(yàn)和有限元分析綜合法

縮尺構(gòu)件試驗(yàn)和足尺構(gòu)件試驗(yàn)有時(shí)不能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，對于縮尺構(gòu)件，實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)的高溫性能由于混凝土的熱惰性的作用，其性能同按比例縮小構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有很大差異，因此不能應(yīng)用推導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)回歸式進(jìn)行設(shè)計(jì);足尺構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于縮尺構(gòu)件，但完全依靠足尺試驗(yàn)來確定結(jié)構(gòu)的高溫性能又不現(xiàn)實(shí)。所以利用計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)高溫性能分析，采用有限元分析理論，建立符合條件的高溫結(jié)構(gòu)模型，對比同類試驗(yàn)結(jié)果對混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如對于抗彎框架或不均勻受熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件或受軸向約束的構(gòu)件采用相應(yīng)計(jì)算機(jī)分析程序設(shè)計(jì)。

5.性能化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)是近年來提出的一種新型抗火設(shè)計(jì)方法。新西蘭于1993年第一個(gè)應(yīng)用此方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)[5]。性能化防火設(shè)計(jì)的內(nèi)容是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對象直接以人員安全和火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失最小為目標(biāo)，確定結(jié)構(gòu)抗火需求，考慮實(shí)際火災(zāi)升溫及結(jié)構(gòu)整體性能對結(jié)構(gòu)抗火能力的影響，對結(jié)構(gòu)抗火需求進(jìn)行改進(jìn)。由于性能化方法以結(jié)構(gòu)抗火需求為目標(biāo)，最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗火能力，因此是一種科學(xué)先進(jìn)的抗火設(shè)計(jì)方法。性能化方法強(qiáng)調(diào)建筑安全水平必須達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但并不限制達(dá)到目的的途徑，其基本思想是：在給定外部作用和結(jié)構(gòu)正確描述后，預(yù)測出整個(gè)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的反應(yīng)，從而判斷出結(jié)構(gòu)的安全性能[6]。

今后的防火設(shè)計(jì)方法中，考慮建筑物的真實(shí)火災(zāi)特性、基于整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)、確定結(jié)構(gòu)抗火性能指標(biāo)、對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化抗火設(shè)計(jì)將會(huì)成為結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究的發(fā)展趨勢。

三、結(jié)束語

“結(jié)構(gòu)抗火”是跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，其研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)防護(hù)工程及防護(hù)工程和物理學(xué)有關(guān)，但核心基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)工程。因此，結(jié)構(gòu)抗火學(xué)科方向的發(fā)展策略應(yīng)該是：立足結(jié)構(gòu)工程的學(xué)科前沿，利用火災(zāi)科學(xué)的研究成果，解決防災(zāi)減災(zāi)的工程問題。

綜上所述，目前的抗火設(shè)計(jì)方法大多還是基于構(gòu)件層次的、確定性的分析方法，構(gòu)件的耐火極限要求也是基于“處方式”建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范的要求確定的[7]，而一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞并不能代表整個(gè)的破壞，目前“處方式”建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范確定構(gòu)件耐火極限不能完全反映建筑物的火災(zāi)特性、空間特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，也不能滿足建筑結(jié)構(gòu)可靠性和最優(yōu)成本的要求，對于大跨度建筑物尤其如此，因此有必要基于建筑物的整體消防安全目標(biāo)確定結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能目標(biāo)要求的抗火設(shè)計(jì)。

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