結構抗火性能試驗研究綜述

■ 曹博 褚作勇 安徽理工大學土木建筑學院

一、研究背景

結構抗火向來是工程防災減災領域的重要問題。2001年9月11日，美國紐約世貿中心雙塔受到恐怖主義飛機撞擊，飛機燃油引起的大火使承重鋼結構融化，導致兩塔完全倒塌；2009年2月9日，在建的北京中央電視臺新大樓北配樓由于違法燃放煙花發(fā)生特大火災。2019年4月15日，法國巴黎圣母院發(fā)生大火，建筑損毀嚴重，對人類文化遺產帶來了無法估量的損失[1]。

結構抗火的研究內容，從研究方法上分為理論分析與試驗模擬，從材料上分為鋼筋混凝土結構和鋼結構，按研究的具體內容又分為材料、構件和整體結構三個層面。文章以結構抗火性能試驗為切入點，介紹結構抗火領域的研究內容，總結近年來的研究成果，分析其中存在的問題，展望未來的發(fā)展趨勢，為后來的學者提供參考。

二、結構抗火研究內容

（一）火災溫度場

要研究建筑結構在火災下的反應和抗火性能，首先需要確定外部加熱條件和結構內部的溫度分布隨時間變化的曲線。火災中空氣的升溫主要取決于可燃物的數量和通風情況，對于一般室內火災，學者們提出了多個基于參數化的升溫模型，如馬忠誠模型、ASCE模型、歐洲規(guī)范模型等，但一般民用建筑火災采用偏于安全的ISO834標準升溫曲線即可。火災升溫曲線一般通過火災試驗爐來實現。

時旭東和過鎮(zhèn)海采用Galerkin有限單元法，計算了在已知的火災溫度和時間的對數關系，如標準升溫曲線下，鋼筋混凝土結構沿截面的二維溫度場分布，并與三面受火鋼筋混凝土構件升溫實驗的結果對比，具有較高的精度[2]。陸洲導和徐朝暉對鋼骨混凝土柱在火災下的溫度場進行了計算分析，并得到了試驗驗證[3]。

隨著大空間結構在體育場館、機場、超市等建筑中廣泛應用，其獨特的火災反應成為學者們關注的問題。這類結構一般采用鋼結構來縮減構件尺寸，其溫度場分析對于性能化防火設計非常重要，需要考慮煙氣擴散和通風等條件，屬于三維情況下的非穩(wěn)態(tài)分析。

（二）材料

了解結構的材料在高溫下的力學性能和熱工性能，是結構抗火研究的基礎。國際上從20世紀50年代開始對混凝土和鋼的高溫材性進行了一系列試驗研究，并擬合出相應的計算公式。國內起步較晚，從20世紀80年代開始，清華大學、同濟大學等出現了一批學者致力于結構抗火領域的研究。

混凝土是一種不均勻的各向異性材料，由于內部存在孔隙和水，在高溫時水蒸氣和空氣劇烈膨脹，會出現特有的高溫爆裂現象，對力學性能十分不利?；炷恋母邷乇咽艿缴郎厮俾省⒒炷翉姸?、含水率、水灰比、骨料種類、截面尺寸、鋼筋保護層厚度、養(yǎng)護方式、養(yǎng)護時間等因素的影響，由于實驗結果離散性較大，很難在爆裂起始時間及爆裂深度與各影響因素之間建立起定量的聯系。目前對混凝土高溫爆裂機理的解釋有蒸汽壓力、熱應力和熱開裂三種理論，但國內外仍有爭議。學者們發(fā)現高強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影響火災下結構反應，尤其是對預應力結構，高溫下預應力筋的蠕變會導致嚴重的預應力損失，這也使得預應力結構相對普通結構需要更高的抗火性能。周煥廷等研究了1860級低松弛預應力鋼絞線的高溫蠕變，擬合出蠕變與時間關系計算式，并對蠕變后的試件恢復到常溫重新進行抗拉試驗，得出高溫蠕變對恢復到常溫后的抗拉強度影響較小的結論[5]。

（三）構件

目前我國主要采用傳統(tǒng)的“處方式”防火設計，根據建筑的重要性、火災的危險性以及構件的重要性，通過標準結構試件在標準升溫試驗下的耐火試驗，以耐火時間的形式確定每個構件的耐火等級和耐火極限，以此作為消防設計的規(guī)范。

鋼—混凝土組合結構由于優(yōu)良的性能，在結構中應用越來越廣泛。韓林海等進行了鋼管混凝土柱耐火極限和火災后剩余承載力的試驗研究。節(jié)點的力學性能是結構設計的重點，在實際結構中，梁—柱、梁—梁等節(jié)點往往更容易發(fā)生破壞，其在火災下的反應也應重點考慮。

（四）結構

整體結構在火災下的反應涉及所有構件的協同受力和升溫后的內力重分布，每一個構件都處在復雜的受力與邊界條件約束中，單一構件的失效往往不會導致整體結構的破壞，“處方式”的設計方法是保守而不完善的。這就需要整體結構層面的火災試驗研究。

相比于國外的研究，國內對于足尺模型的抗火試驗起步較晚，案例較少，而且主要集中于簡單框架結構，對于復雜結構的火災反應，研究者往往選擇使用有限元軟件進行模擬，但計算機模擬難以反映真實的火災作用，進行一定的整體結構抗火試驗是必要且有意義的。

英國BRE對一個8層鋼框架進行了整體結構的火災試驗，分析了整體結構的約束作用對梁、板、柱在火災下反應的影響，試驗發(fā)現如果節(jié)點連接可靠，結構中的梁和板可以發(fā)生很大的撓曲變形而不破壞，而柱會相應產生較大的彎矩[6]。

（五）火災后結構損傷評估與加固修復

火災不一定導致結構的倒塌，而只是對結構造成一定的損傷，受火后的結構能否繼續(xù)使用是工程中關注的重要問題，這就需要準確評估鑒定火災后結構的損傷程度，并確定合理的修復加固方案，使修復后結構能夠滿足安全和正常使用的條件，這會帶來可觀的社會和經濟效益。

《火災后建筑結構鑒定標準》（CECS 252—2009）給出了建筑結構火災后力學性能評估的一般程序?；馂暮蠼Y構的初步鑒定，是通過調查火災情況，觀測結構表面特征，包括顏色、裂縫、脫落、鋼筋、變形等，初步劃分結構構件受火損傷等級。結構損傷詳細評估的主要指標是結構剩余承載力，其檢測內容主要包括火災后混凝土強度檢測、構件燒傷深度檢測等幾個方面。對于高溫后材料和構件的性能和受損情況已有大量實驗室試驗成果。

纖維編織網增強混凝土（TRC）是一種新型的高性能水泥基復合材料，采用TRC加固鋼筋混凝土結構和砌體結構，是目前加固工程領域的一種新方式[7]。

經歷了升降溫過程后，結構中往往會有不可忽視的殘余應力和殘余變形，但這些在構件的火災后性能評估中無法體現。目前國內外對于整體結構火災后力學性能評估方法的研究成果還較少，也沒有相關規(guī)范指導。確定火災溫度場分布，建立整體結構火災數值模擬的計算模型，對建筑結構進行火災后力學性能評估，探索完整科學的損傷評估體系，是今后結構損傷評估研究工作的重點。

三、研究趨勢與展望

（一）隨機火災作用研究與可靠度設計

火災實際上是一種隨機作用，其發(fā)生的概率，發(fā)生時作用的位置與大小都是不可預測的?？紤]真實火災特點，更加準確地模擬火災對結構的作用，把火災作用和耐火極限與結構設計中“荷載”和“抗力”的概念相對應，建立基于概率模型的可靠度設計方法，以滿足結構抗火的性能化目標。

（二）高溫性能機理的研究

精細、準確、通用的高溫材料模型，是性能化防火設計不可缺少的條件。對于混凝土高溫爆裂的機理與定量分析，目前尚未形成統(tǒng)一的觀點。新材料、新工藝、新結構不斷出現并應用，對其高溫性能的試驗研究是不變的話題。溫度與荷載的耦合作用是材料性能進一步研究的重點，包括不同的溫度—荷載路徑、降溫段的力學性能、反復升降溫、多軸應力下的高溫性能等。

（三）火災后評估修復系統(tǒng)化理論

目前主要通過表觀觀測和材料檢測來判斷結構火災后的剩余承載力，表示結構的受損程度。但缺少對于結構殘余變形和殘余應力的分析，沒有定量判斷結構損傷指標的評估方法。探討對于結構更加科學準確的評估方法與經濟高效的火災后加固方法，是未來火災后結構評估修復的研究方向。

（四）新型結構抗火試驗與理論研究

近年來，上百米的超高層建筑在中國各地拔地而起，但高層結構更易受部分區(qū)域火災影響導致整體破壞，對于防火性能有更高的要求；地下空間結構可以更加高效地利用城市面積，但由于地下空間狹小封閉，火災時會產生更多的煙氣而且難以排除，多層地下空間發(fā)生火災時危險更大，地下空間結構的構件的耐火極限要求往往相對地上空間構件大很多；跨結構由于靈活美觀的外表與巨大的內部空間，頗受建筑師們喜愛，但傳統(tǒng)的抗火理論難以適用這種復雜結構模型。

（五）結構抗火試驗新技術

發(fā)展以性能為基礎的防火設計理論，需要大量整體結構的抗火試驗數據與實踐經驗。進一步開展足尺結構的抗火試驗，并發(fā)展縮尺模型的相似比理論。對于火災試驗縮尺模型相似理論的研究，目前才剛剛起步，還沒有形成簡單實用的系統(tǒng)化理論，未來還有很長的路要走。