建筑結(jié)構(gòu)抗火性能分析

田欣喬　張建順

【摘 要】如果發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)高溫將嚴(yán)重惡化結(jié)構(gòu)材料的性能，結(jié)構(gòu)構(gòu)建的內(nèi)力分布也會被重新改變，產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)變形。結(jié)構(gòu)材料的承載力將會減弱，危機(jī)建筑物安全。因此，科學(xué)地設(shè)計(jì)建筑物抗火結(jié)構(gòu)，形成完善的、可靠的抗火設(shè)計(jì)方案，是學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的問題。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)；抗火；設(shè)計(jì)

火災(zāi)給人類帶來的損失是巨大的，其中，建筑物火災(zāi)的發(fā)生頻率和造成的損失遠(yuǎn)高于其他形式的火災(zāi)。目前，我國的建筑物隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也在快速發(fā)展，高層、多層、多功能建筑物越來越普及，建筑物內(nèi)的人口密度也在不斷提高，發(fā)生火災(zāi)時(shí)造成的危害也就越大。本文將對建筑物結(jié)構(gòu)抗火性能進(jìn)行分析和建議。

1.以往的建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究情況

1.1對建筑火災(zāi)發(fā)展過程的研究

研究建筑火災(zāi)發(fā)展過程的目的，就是掌握建筑火災(zāi)發(fā)生的原因和規(guī)律，了解火災(zāi)發(fā)生過程中的氣體、溫度等的變化，預(yù)測未來發(fā)生火災(zāi)的可能性，從而為科學(xué)地設(shè)計(jì)建筑物抗火結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1.2對高溫下建筑材料的受力性能的研究

高溫下建筑材料易發(fā)生形變，材料的力學(xué)性能也會隨之發(fā)生變化。高溫下材料的熱工性能和力學(xué)性能是人們研究的重要課題。熱工性能主要包括比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等?；炷恋墓橇项愋?、溫度、水分含量和各材料的混合比都會影響混凝土的熱傳導(dǎo)性能?；炷恋臒醾鲗?dǎo)系數(shù)隨著溫度的升高而下降，其它幾種因素的影響也會越來越小。與混凝土的力學(xué)性能研究相比，對其熱工性能的研究較少，因此在這方面還有很大的研究空間。

1.3對建筑構(gòu)件內(nèi)部的溫度場的研究

材料的溫度與力學(xué)性能有密切的關(guān)系。研究材料內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化過程能為計(jì)算構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火宅中的反應(yīng)提供依據(jù)。建筑火宅如果發(fā)生，釋放的熱量將會通過熱輻射、熱對流等傳到方式傳遞到建筑物表層，再通過熱傳導(dǎo)傳遞到構(gòu)件內(nèi)部。構(gòu)件內(nèi)部的溫度場會隨時(shí)間變化，一般可以通過傅立葉熱微分方程計(jì)算構(gòu)建內(nèi)部的溫度分布情況。混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度具有函數(shù)關(guān)系，且環(huán)境因素會影響邊界條件，因此火災(zāi)發(fā)生時(shí)構(gòu)建內(nèi)部的溫度場是非線性瞬態(tài)問題。

1.4對建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的實(shí)驗(yàn)研究

人們已經(jīng)對梁、柱、板等建筑構(gòu)件進(jìn)行過抗火性能測試和研究，并得出了配套的計(jì)算公式。Ellingwood等對不同截面形狀的鋼筋混凈土進(jìn)行試驗(yàn)，考察了混凝土保護(hù)層厚度、荷載水平、升溫方案等對簡支梁耐火性能的影響，并得出了相關(guān)結(jié)論。臺灣交通大學(xué)也對混凝土的抗火性能進(jìn)行了研究，對剝落現(xiàn)象進(jìn)行了證明。

1.5對相關(guān)軟件的研究

計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展對分析建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能具有重要意義。1977年麻省理工學(xué)院和伯克利加州大學(xué)聯(lián)合建立了火災(zāi)中框架反應(yīng)的分析軟件。該軟件經(jīng)過多次修改和升級，如今已經(jīng)具備了完善的分析能力。1979年，瑞典國家試驗(yàn)研究院也設(shè)計(jì)了類似的軟件對建筑物火災(zāi)情況進(jìn)行分析，隨著不斷的完善，目前已運(yùn)用到試驗(yàn)和教學(xué)活動中。近年來我國對鋼筋混凝土的分析軟件也在不斷優(yōu)化，目前，火災(zāi)情況中建筑物的二維溫度場、三位溫度場和結(jié)構(gòu)的變形、開裂等情況都能通過可視化的技術(shù)顯示出來。

2.如何提高建筑物抗火性能

通過對以往研究的分析和綜合，對建筑物抗火性能的研究將會呈現(xiàn)出研究內(nèi)容多樣化、設(shè)備先進(jìn)化、考慮因素綜合化等趨勢。筆者結(jié)合對現(xiàn)實(shí)情況和理論發(fā)展的總結(jié)和分析，對建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的提高提出以下建議：

2.1開發(fā)耐火的建筑材料

提高建筑材料自身的耐火性對減輕火災(zāi)損失具有事半功倍的作用，同時(shí)，可以減少工程支出，加快施工進(jìn)度。耐火材料的開發(fā)是當(dāng)今一個(gè)重要的研究課題。據(jù)悉，武漢某鋼鐵公司在耐火材料的研發(fā)上有重要突破，而且其產(chǎn)品已經(jīng)被運(yùn)用到國家大劇院的工程建設(shè)中。此外，提高混凝土的耐火性也是人們研究的重要課題之一。加拿大國家研究院通過實(shí)驗(yàn)證明，添加纖維對防止混凝土爆裂具有顯著的作用。

2.2加大實(shí)驗(yàn)投入，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)前，有關(guān)混凝土在高溫和雙向受力條件下的本構(gòu)關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少，而高溫和三相受力下的本構(gòu)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幾乎為零。高溫條件下建筑材料的熱工性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也很少，某些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，如對流換熱系數(shù)等還是難以確定。因此，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能，應(yīng)當(dāng)加大科研和實(shí)驗(yàn)投入，通過實(shí)驗(yàn)獲得更多有用的數(shù)據(jù)，以促進(jìn)研究的深化和材料的開發(fā)。

2.3研究節(jié)點(diǎn)的耐火性能

專家通過對世貿(mào)大廈5號樓的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中嚴(yán)重受損是造成大樓坍塌的主要原因。當(dāng)前，結(jié)點(diǎn)耐火性能的研究還相當(dāng)少，結(jié)點(diǎn)作為建筑物受力和分散力的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)?shù)玫窖芯空叩闹匾暎ㄟ^對結(jié)點(diǎn)耐火性能的研究，設(shè)計(jì)出更加合理的建筑結(jié)構(gòu)。

2.4開發(fā)性能化的抗火設(shè)計(jì)方法

性能化抗火設(shè)計(jì)方法，雖然注重確定建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)，但對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的手段并無限制。因此，在對建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行分析時(shí)，除應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)本身的抗火性能外，還應(yīng)考慮建筑物中主動消防設(shè)施的影響和消防隊(duì)員的作用。此外，增強(qiáng)大型設(shè)備的投入和實(shí)驗(yàn)，突破目前單一實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法提供更多便利。

2.5開發(fā)抗火分析專用軟件

抗火分析軟件的目的應(yīng)當(dāng)是在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提前預(yù)知和減少將來可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測可能出現(xiàn)的火災(zāi)及場景，預(yù)測建筑物的反應(yīng)和救火措施。目前的建筑物抗火軟件遠(yuǎn)不能達(dá)到該水平。財(cái)政部門應(yīng)當(dāng)在資金上支持科研部門，加大科研投入和軟件開發(fā)力度，盡快讓軟件實(shí)際運(yùn)用到建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，減少建筑物火災(zāi)造成的危害。

2.6提高混凝土強(qiáng)度

專家通過對高溫下不同混凝土強(qiáng)度等級和不同配筋率下鋼筋混凝土簡支梁抗彎、抗剪承載力的計(jì)算和分析，得出結(jié)論：提高混凝土強(qiáng)度能明顯提高混凝圖簡支梁的抗剪性能，但抗彎性能的提高不大；在配筋率的允許范圍內(nèi)增大受力鋼筋面積能顯著增強(qiáng)鋼筋混凝土的極限承載能力。

總之，當(dāng)前對建筑物火災(zāi)的研究取得一定成果的同時(shí)，還有更多的難題等待人類去克服。研究投入不足、設(shè)備落后、研究規(guī)模小、內(nèi)容少的問題應(yīng)當(dāng)?shù)玫饺藗兊闹匾暋Ｔ谠撔蝿菹?，國家?yīng)加大投入支持科研，企業(yè)也應(yīng)加大投入，對建筑材料的質(zhì)量進(jìn)行研究和提高，共同優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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