混凝土结构抗火设计

【摘要】频繁发生的建筑火灾，往往造成人类财富和物质资源的巨大损失，甚至人员的惨重伤亡。特别是近年来，随着建筑物高层化、大规模化及用途的复合化的发展，在火灾防治水平不断提高的同时，火灾的防治难度也在不断加大。目前，对火灾的防御和研究主要集中在建筑防火和结构抗火两个方面。

【关键词】混凝土，结构，火灾

对于混凝土结构，虽然其耐火性能比木结构和钢结构好，但实际发生的火灾实例表明，混凝土结构在火灾作用下承载力降低、结构失效以致于倒塌的危险依然存在。主要原因是：在火灾引发的高温作用下，钢材和混凝土的强度、弹性模量以及两者之间的粘结力等均随温度升高而降低，甚至有时还会发生混凝土的爆裂。这些材性的严重劣化，必将导致构件的承载能力下降、变形增大。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，导致不均匀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，甚至导致结构失效。

建筑防火主要是利用建筑的防火措施（如防火分区、消防设施的布置等）、建筑的防护设施（如防火门、防火墙）和结构防护设施（如防火涂料、防火板等）达到其减少火灾发生的概率，避免或减少人员伤亡以及减少火灾直接经济损失的目的。而进行结构抗火设计的意义为：

建筑物发生火灾时，确保其能在一定的时间内不破坏，不传播火灾，延缓火势的蔓延；避免结构在火灾中局部或整体倒塌导致救火和人员疏散的困难；减轻结构在火灾中的破坏，减少结构的修复费用，缩短修复周期，减少间接经济损失。

结构的火灾反应分析主要是指结构或构件在高温下的承载力分析和变形分析。由于火灾中作用于结构上的荷载基本保持不变，所以结构火灾中的反应分析便是在荷载固定及温度不断升高情况下进行的。为判定火灾反应是否满足结构抗火要求，还应进行结构的耐火极限分析。因此，对于混凝土结构，其火灾反应分析主要包括温度场计算、承载力和变形计算以及耐火极限分析。

建筑物起火时，火灾通过热辐射、对流及热传导首先传给结构构件表面，然后通过热传导在构件内部传递。混凝土结构在火灾高温作用下发生材质和力学性能上的变化，因此要对混凝土结构进行高温下的分析，必先确定构件内部的温度场。

火灾作用下，构件截面的温度场随时间而变化，而且混凝土的导热系数、比热和质量密度也不是常数。所以截面热传导问题是一个非线性瞬态问题，其控制方程是一个非线性抛物线型偏微分方程。对于实际同题，解析解几乎不可能得到，一般只能采用数值解法。实践表明，有限元与差分相结合的方法求解热传导方程比较有效。

影响温度场的因素较多如微裂缝、大孔洞、尺寸效应、混凝土龄期、恒温时间长短以及火灾中混凝土的爆裂等都对温度场有影响，，但目前的研究还不够全面。

另外，分析结构的火灾反应，对降温过程的分析是必要的。因为降温过程同样使结构处于不均匀的温度场作用下。降温作用对超静定结构损害很大，可能使火灾下未被破坏的结构破坏。当前对结构火灾反应研究多停留在升温阶段，由于降温模拟对实验条件要求较高，对结构降温过程的火灾反应研究较少。

对一般构件而言，承载力变化主要取决于钢筋和混凝土在火灾中的损伤程度，而对超静定结构，还取决于不同部位构件在火灾中刚度下降不同而导致的内力重分布。在试验研究的基础上，国内外对梁、柱、框架等进行了大量的火灾极限承载力试验而在理论分析上，主要是对构件截面承载力进行计算。目前一般做法是根据温度场计算结果将截面划分成区，计算内力和变形的关系，在截面承载力计算时一般仍假定平截面假定成立，且忽略拉区混凝土的作用及剪切效应等，但需事先明确和建立钢筋与混凝土的高温本构关系、热变形及瞬时徐变模型。

建筑构件的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受火的作用时间起，到失去稳定性或完整性或绝热性为止的这段时间，一般以小时计。判定建筑达到耐火极限的条件有三个：失去稳定性，失去完整性，失去绝热性。对于结构承重构件主要是失去稳定性，失去稳定性是指构件在试验中失去承载能力或抗变形能力，对于结构承重分隔构件，如承重墙、楼板、屋面板等，此类构件具有承重、分隔双重功能，所以当构件在试验中失去稳定性、完整性、绝热性任何一个条件时，构件即达到其耐火极限；对于分隔构件，如隔墙、吊顶、门窗等，此类构件的耐火极限由完整性或绝热性两个条件共同控制。

把火灾的高温作用等效为火灾荷载，用涉火空间内可燃物燃烧所产生的总热量值度量。为了准确反映建筑内热量的分布状况，必须正确确定火灾荷载的分布。该研究是抗火设计的基础，国外许多国家都进行过研究，并公布了用于设计的火灾荷载的取值方法。我国非常需要符合我国实际的火灾荷载取值方法。

由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度影响下材料的力学性能有一定的离散性，缺乏统一的试验标准。高温下和高温后材料的力学性能存在随机性，但目前的研究方法却几乎都是确定性的，特别是高强混凝土方面的定量研究结果较少。所以还应加强试验研究，以期得到更多的数据积累，从而为后续研究及理论分析提供更好的基础。

如何改善高性能混凝土的耐火性能也是一个重要课题，加拿大国家研究院等进行了一系列实验研究，证明添加纤维对防止爆裂有比较明显的作用。

目前对特定结构进行火灾全过程非线性有限元分析在理论上是可行的，但不可避免繁复的运算过程，因此有必要编制具有工程准确度的、概念清晰且简易实用的结构抗火设计计算机程序，并实现和现有通用结构设计软件的连接。

混凝土结构已经广泛应用于各种工程技术领域，虽然混凝土为热惰性材料，但火灾对其结构的破坏不容忽视。由火灾下结构的反应分析可知，火灾的高温作用会导致混凝土结构的承载能力、耐火及隔热能力下降，严重时甚至引起结构的局部或整体倒塌，因此必须完善结构的抗火理论，加强结构的抗火设计。基于目前我国结构抗火设计方法存在的缺点，建议采用结构抗火设计的计算方法，这对于确保结构在火灾中和火灾后的安全可靠具有实用价值。