建筑结构抗火研究

摘要：随着钢筋混凝土在现代建筑中越来越广泛的使用和近年来建筑物火灾发生的增长,人们有必要对混凝土结构的火损伤行为有更系统和量化的理解。

关键词：钢筋；混凝土；高温；抗火性能

中图分类号： TU375 文献标识码：A文章编号：

一、引言

众所周知，就建筑而言，一旦遭遇火灾，往往会遭受巨大的损失。因此，对于建筑物来讲，考虑抗火设计是非常重要。本文简单的讲述火灾的危害，进一步得出抗火设计的必要性，其中涉及现在抗火的研究进展与现状，并在最后对未来的发展展望一下。

二、火灾的概念、抗火的重要性

火灾——是指在时间和空间上失去控制的燃烧造成的灾害。火灾发生的频度居各种灾害之首，在各类火灾中又以建筑火灾损失最为严重。近期火灾发生的案例很多，造成的损害很大，既有人身安全，也有财产安全。不论是哪一方面，都是我们必须要避免的。以下是近期的几个主要案例：

央视大楼火灾：2010年2月9日晚20时27分，中央电视台新台址工程的重要组成部分—电视文化中心发生火灾，起火时大楼尚在建设中，火灾起因是违规燃放烟花爆竹，在此次火灾事故中共造成了一死七伤。

上海教师大楼火灾：2010年11月15日14时15分许，上海市静安区胶州路728号一幢28层的教师公寓发生重大火灾，已有58人因火灾死亡。70多人受重伤。工人焊接时引燃某种易燃物所致。

最近几十年来，我国的高层建筑发展十分迅速，这导致建筑结构火灾的问题也日益突出，这就迫切需要我们进行结构抗火性能的研究。现代建筑中大多数建筑采用钢筋混凝土结构和钢结构作为承重结构，根据现已有的研究成果，钢筋混凝土结构在火灾(高温)下钢材和混凝土的强度f、弹性模量E等均随温度升高而下降，一般混凝土材料在4000C以上、钢材在3000C以上，其力学性能也会随之严重恶化，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，但由于混凝土内部温度增长缓慢，在其截面上会形成不均匀温度场，而且温度变化梯度也不均匀，这导致温度变形的不均匀性和截面应力重分布，这些变化都足以危及结构的安全性，尤其是在某些情况下会导致结构彻底失效。 因此，应对建筑结构火灾防范工作引起充分重视，在建筑结构设计中进一步增强抗火意识。

三、建筑结构抗火研究现状与进展

关于抗火的研究，国外比起国内，对结构抗火性能的研究开展较早，开始于20个世纪初，并先后成立了许多抗火研究组织，比较有名的有美国建筑火灾研究实验室、美国消防协会、美国的波特兰水泥协会、美国预应力混凝土协会、英国的BRE(BuildingResearchEstablishment)。这些组织编订了相应的建筑规范及行业规则。

我国关于抗火的研究从20世纪80年代中期开始,清华大学、同济大学、西南交通大学等高校，使用自行研制的高温试验设备,对高温下、高温后钢筋和混凝土的本构模型、构件和结构在高温下的反应以及灾后评估修复等问题进行了大量的试验研究,取得了较为丰实的研究成果.

根据现已有的工程实践经验，并结合相关试验研究成果，抗高温的钢筋混凝土结构具有下述受力特点：

不均匀温度——混凝土的导热系数极低。

材料性能的恶化——高温下，钢筋和混凝土的强度f和弹性模量E降低很多，并会伴随开裂、边角崩裂等现象，这是构件的耐火极限和承载力严重下降的主要原因。

（3）应力－应变，温度－时间的耦合本构关系——分析一般的常温结构时，仅考虑材料的应力－应变本构关系。高温下，温度和时间对于材料的变形及强度值影响很大。

（4）截面应力和结构内力的重分布——截面的不均匀温度场产生不等的温度变形和截面应力重分布。超静定结构因温度变形受约束而发生内力重分布，改变了结构的破坏机构和破坏形态，影响了极限承载力。

不同等级的混凝土在同一高温下的抗压强度值()相差一般不超过3%；强度等级相同的混凝土，花岗石骨料比石灰石骨料混凝土的高温抗压强度稍低。图2.2-1、2.2-2给出了高温下棱柱体抗压强度变化以及应力－应变规律。

图2.2-1棱柱体抗压强度 图2.2-2应力－应变曲线

四、建筑结构抗火研究展望目前，尽管在结构火灾试验和分析方面，我国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：

（一）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。

（二）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。

（三）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提高。

（四）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，需要在将来的时间去建立并完善。

（五）加强关于房屋火灾扑救方案的研究

我国大多数城市都开展了关于城市抗震能力的评估研究工作，并且建立了抗震能力档案。我们应该开展并加强城市抗火能力评估研究，制定合理扑救方案。

五、小结

建筑结构抗火的研究对我国建筑业的蓬勃发展，乃至国民经济的迅猛提高都有很重要的意义。因此研究是一件任重而道远的事情，需要我们努力的去探索并完善。随着现代科学的进步发展，相信我们会做的越来越好。

参考文献

[1]华毅杰.预应力混凝土结构火灾反应及抗火性能研究[M].上海:同济大学出版社，2000．

[2]郑文忠．预应力混凝土高温性能及抗火设计［M］．哈尔冰工业大学出版社，2012．

[3]李国强．钢结构及钢筋混凝土组合结构抗火设计［M］．中国建筑工业出版社，2006．

[4]董毓利.混凝土结构的火安全设计.［M］北京:科学出版社,2001