建筑结构抗火设计

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1 火灾的危害性我国的火灾次数和损失相当严重，据公安部消防局统计，2000年全国共发生火灾189185起，死亡3021人，伤残4404人，直接财产损失15.22亿元。我国的火灾次数和火灾损失都呈上升趋势，我国未来的火灾形势不容乐观。迅速采取有效措施，抑制火灾上升的势头，已成为党、政府和全国人民普遍关心的问题。 近几十年来，我国的高层建筑发展非常迅速，建筑结构火灾的问题也日益突出，这些都迫切需要进行结构抗火性能的研究。现代建筑中大部分采用钢筋混凝土结构和钢结构作为承重结构，根据已有的研究成果，钢筋混凝土结构在火灾(高温)下钢材和混凝土的强度、弹性模量等均随温度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、钢材在300度以上，其力学性能严重恶化，高温下材料性能的变化是结构的承载力和耐火极限严重下降的一个主要原因。另外结构受火时受火面温度随周围环境温度迅速升高，但由于混凝土的热惰性，内部温度增长缓慢，截面上形成不均匀温度场，而且温度变化梯度也不均匀，导致不等的温度变形和截面应力重分布，这些变化都足以危及结构的安全性，某些情况下会导致结构失效。 2 建筑结构抗火性能研究回顾结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。 2.1 建筑火灾发展过程研究建筑火灾发展过程研究的目的是掌握建筑火灾发展规律，主要了解气体温度变化及烟气运动等规律，从而再现已发生火灾和预测未来火灾的情况，为建筑防火设计和结构抗火设计提供科学依据。对建筑火灾发展过程进行实验研究是一种较为直接、可靠的途径。它一方面可以给出供计算用的一些经验、半经验性的模型，另一方面可以为人们从一般原理出发提出的理论和计算模型提供检验手段和可靠依据。1972年，在美国国家科学基金资助下，美国哈佛大学现代火灾科学之父Howard Emmons教授与工厂联合研究公司对建筑火灾发展过程进行合作研究，其中进行了两次足尺实体试验。这项研究取得了三方面的重大成果：实验方面，使用了新的仪器和数据处理方法，建立了现代火灾实验标准；理论方面，建立了现在广为知晓的区域火灾模型；数值方面，为哈佛大学的火灾模拟软件提供了可靠的数据支持。 2.2 建筑材料高温下热工性能和力学性能研究建筑材料在高温下的热工性能参数以及力学性能参数是研究建筑结构在火灾中反应的基础。材料的热工性能参数包括热传导系数、比热容、质量密度以及热膨胀系数等。影响混凝土热传导系数的因素有骨料类型、水分含量、混凝土的配合比以及温度等。试验表明，随着温度的升高，混凝土的热传导系数逐渐减小，混凝土的热膨胀系数与骨料类型等因素有关，并且还受试件尺寸、加热速度等外部条件影响，不同研究者得出的结果差异较大。相对于混凝土的力学性能来说，混凝土的热工性能研究还较少，但热工性能参数对结构分析结果影响还是比较大的，这方面还有很多工作要做。 2.3 建筑构件内温度场研究材料的力学性能与温度密切相关，所以，搞清构件内部各点的温度变化过程是计算构件及结构在火灾中结构反应的前提。发生建筑火灾时，可燃物释放的热量通过热辐射、热对流以及热传导方式传递给建筑构件表面，再通过热传导向构件内部传递。构件内温度场是一个随时间变化的变温度场，一般可通过对傅立叶导热微分方程进行数值求解获得构件内的温度分布。有限单元法是计算构件内温度场的一种理想方法。为了减少计算工作量，目前普遍假设梁、柱等细长构件的温度分布沿轴线方向无变化，把三维温度场问题简化成二维问题。 3 合理的结构抗火设计方法基于计算的结构抗火设计，可以免除传统的基于试验(经验)的结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。 3.1 结构抗火设计要求（1）在规定的结构耐火设计极限时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；（2）在规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；（3）火灾下，当结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的温度为临界温度Td，则Td应不小于在耐火极限时间内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可 3.2 基于计算的结构抗火设计方法（1）采用确定的防火措施；（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；（3）采用确定的高温下材料的参数，计算结构中该构件在外荷载的内力；（4）由计算的温度场确定等效截面和等效强度；（5）根据构件和受载的类型，进行结构抗火承载力极限状态验算；（6）当不满足要求时，重复以上步骤。 4 结构抗火设计的研究方向尽管目前在结构火灾试验和分析方面已经开展了一些研究，但对了解和掌握结构火灾反应特性、提高结构抗火性能、建立结构抗火设计方法方面仍有许多工作有待完善和进一步开展。主要体现在以下几个方面： 4.1 材料性能由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度影响下，材料力学性能有一定的离散性，必须通过一定数量的不同材料的试验以确定其基本性能及变化特征。同时，通过材料性能试验，寻找在高温下性能优良的材料，以提高结构抗火能力。对目前国内外进行的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程序用的材料高温(火灾)性能数据库是火灾材料研究的一个重点。 4.2 热传导及温度场分布对钢筋保护层厚度、表面防火材料使用的效果进行研究，以确定提高结构抗火性能的有效途径。 4.3 结构火灾下的可靠度分析采用概率的概念来评估工程结构的安全度（即可靠度）已被工程界广泛接受，但对结构在火灾下如何确定其安全度仍有待研究。由于火灾发生的可能性、火灾的持续时间和峰值强度、发生火灾时结构承受的荷载等并不确定，以及材料在温度下性能的更趋离散等因素均会影响结构的耐火性能。因此如何在设计中对这些因素进行综合考虑，以确定其耐火安全度是今后面临的一个重大课题。结构火灾下的可靠度分析也是对现有建筑物进行评估的一个重要方面，对今后房屋交易、保险等均有重大意义。 4.4 火灾后鉴定和修复由于经济条件限制，我国有相当一部分建筑在设计上对防火技术措施未予考虑或考虑不够周密，火灾后往往造成建筑结构损伤、破坏或倒塌，造成的结构破坏情况较多。通常火灾后所采取的处理措施是进行修复加固，但我国在这方面的研究起步较晚，目前尚无专门的法规。