我国房屋建筑结构中的防火方案及其创新研究

【摘要】现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，为实现结构防火的概率可靠度设计，必须考虑火灾即空气升温的随机性，考虑火灾随机性的结构防火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构防火设计的发展方向。

【关键词】我国房屋建筑结构；防火方案；创新研究

0前言

目前，我国的大部分有关建筑物防火的研究成果都是针对无约束混凝土的，对于箍筋约束混凝土的研究做的比较少。从国际上的现状来看，主要是采取了基于试验的建筑结构构件防火设计的方法、基于计算的构件防火设计方法、考虑火灾随机性的结构防火设计方法、基于计算的结构防火设计方法这四种方法来进行建筑结构防火结构的设计，目前这一领域正在迅速发展，并认真分析了建筑结构防火研究的发展现状，最后就目前常用的理论研究方法进行了简要的分析。

1我国建筑结构防火设计现状与差距

我国在房屋建筑结构防火方面的研究从时间上看要落后于国际上的一些国家，早在20世纪中期，前苏联率先颁发了建筑结构防火方面的相关标准——耐热钢筋混凝土的设计暂行指示，虽然是指示，还不够完善，但是，是世界上最早的相关标准。在此以后，美国在1962年由该国的消防协会颁发了相关标准、瑞典是在1983年颁布、法国是在1984年颁布建筑结构防火方面的设计标准。这些都是针对钢筋混凝土抗火设计方面的标准，是进行防火设计的依据。就国内外建筑结构防火的设计和研究现状来看，有很多学者进行了大量的试验和研究，所采用的方法并不统一，试验的内容也各有侧重。

2相关研究方法与分类

结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构破坏。一般情况下，结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承受荷载的能力，当结构防火设计以防止整体结构倒塌为目的时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行防火设计更为合理。基于试验的建筑结构构件防火设计方法的最主要特点是以试验作为建筑结构设计的依据，在进行结构防火设计时，可根据构件耐火时间要求直接选取相应的防火保护措施。这种方法针对性比较强，操作起来比较简单，比较直观容易被人所接受，应用起来也比较方便，但是，这种方法也有不足的地方。基于试验的构件防火设计方法存在严重缺陷，这种缺陷源于对下列因素的影响很难加以考虑：一是建筑结构的荷载分布与大小的影响。由于实际结构构件所受的荷载分布与大小并不是一成不变的，因此，我们在试验的时候所选用的结构各构件标准受载状体与建筑物实际结构中这些部件的受载状态并不是完全一致，这就影响了我们对实验结果的使用，我们在使用试验结果的时候，要区别对待，不能照搬照用。二是建筑结构构件的端部约束状态对实验结果的影响。构件在结构中受到相邻其他构件的约束，构件的端部约束状态不同，构建的承载力及火灾升温所产生的构件温度内力将不同，而这两个方面对构件的耐火极限均有重要影响，实验中很难准确和全面地进行模拟。为考虑荷载的分布与大小及构件的端部约束状态对构件耐火极限的影响，可按所设计的结构的实际情况进行一系列构件的耐火试验，但这样做一方面目前的试验手段达不到，另一方面费用非常昂贵，为解决基于试验的构件防火设计方法存在的问题，很多学者开展了大量研究。理论研究以有限元为主，也有的采用经典解析分析方法，基本建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的构件防火设计方法。目前这种方法已被世界上很多国家所采用，比如美国、英国以及其他欧洲国家。

3建筑结构防火设计的发展趋势

由于钢结构耐火研究开展较早，研究得也较深入，而混凝土结构已被证明同样会在火灾中垮塌，所以研究的结构形式正在由钢结构向钢筋混凝土结构发展。由于建筑功能的多变性，主要体现在火灾荷载和通风条件的变化，用标准温度——时间曲线作为所有构件的受火条件，确实很难反映构件在实际火灾中的工作条件，所以受火条件正趋于用按预测计算得到的平均温度——时间曲线代替一成不变的标准升温曲线。由于单一构件在火灾中产生的温度内力与框架或其它超静定结构产生的温度内力差别甚大，所以研究对象正在由单一构件转向构件组合单元。鉴于这样的试验结果有一定的局限性此，在试验的时候，我们尽量采用都建组合单元，可以更全面地掌握有关数据，了解更多构件的耐火情况。用过去标准耐火试验研究方法（破坏性试验）掌握了各类构件在火灾温度和重力荷载共同作用下的破坏机理后，建立构件在火灾条件下的分析模型，使用计算机数值模拟研究更为科学合理，所以研究方法正在由构件的破坏性实验方法向结构分析方法过渡。

4房屋建筑结构防火理论研究现状

从目前国内的情况来看，对建筑物结构防火进行研究时，主要是依据一些经验公式进行分析，进行数值分析的时候主要是采取有限差和有限元的方法。研究人员通过对建筑结构或构件进行耐火性能试验，获得了大量的相关数据，依据这些数据进行试验结果分析，通过分析研究提出了一些经验公式和半经验公式。

4.1有限元法

有限元法可以避免有限差法的缺点，在使用方面具有和大的灵活性和适应性。它是把计算区域划分成若干个单元，在每个单元上随意取多个点作为节点，然后通过对控制方程做积分得到离散方程。有限元法在具体的使用过程中可以具有任意布置的节点或者网格，对于不规则的复杂区域或边界问题也可以进行求解，其显著的缺点是编制程序的时候非常复杂，精确地对温度场进行模拟并采用有限元法进行分析方面还存在着不足。因为，在建筑物发生火灾的时候建筑材料的导热系数和比热容等热工参数都是温度方面的函数，而且边界条件具有随机性，所以，建筑构件内的温度场复杂的非线性瞬态问题，在计算时，在空间域上采用有限元法、在时间域上采用有限差分法，充分利用两者优点来计算建筑构件内温度场各种数据。

4.2有限差分法

针对具有简单几何形状建筑材料导热问题的研究时，采用这种方法最容易进行数值方法。这种方法的特点是：将求解区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在节点上，然后用用相应的差分表达式控制方程中每一个导数，从而形成每个节点的代数方程，这样的每个方程代表特定节点以及附近其它节点的未知值。用这种方法可以将微分方程和边界条件的求解问题转化为线性代数方程的求解问题。这种方法的缺点是只能适用于规则的差分网格，比如正方形、矩形、正三角形的网格。

5结语

房屋建筑的防火问题不是现在才有的，是伴随着建筑行业的兴起形成的，有着悠久的历史，是全社会都比较关注的问题。自古以来建筑防火问题就是建筑设计和施工方面的一个重要问题。一直以来，在建筑防火方面也进行了大量的研究，但是从现状来看，还存在着一些问题和不足，应该尽快得到解决，并就未来的发展方向进行必要的研究。工作实践中，要加强建筑结构防火研究，不管是设计方法还是理论研究方面，都要尽量缩小甚至超过目前在相关领域研究和应用比较成熟的国家和地区，走在国际的最前沿。

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