浅谈建筑结构耐火设计

摘 要：火灾是建筑物较常遭遇的意外侵害，建筑结构耐火设计的目的是防止建筑物在火灾中发生恶性倒塌后果，最大限度地减少国家和人民生命财产损失，是我们建筑抗灾设计的重要研究领域。

关键词：建筑；结构；耐火；设计

中图分类号：TU3 文献标识码：A

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。

1 建筑结构耐火设计的目地

1.1 建筑物在给定火灾条件下(火灾荷载、通风条件、结构形式等)，其结构能否确保稳定而不倒塌;

1.2 如果评估结果是将发生倒塌，应采取什么技术措施予以避免。

2 建筑结构的耐火等级

耐火等级是衡量建筑物耐火程度的分级标度，耐火等级高的建筑物，发生火灾的次数少，火灾时被火烧坏、倒塌的很少；耐火等级低的建筑，发生火灾概率大，火灾时往往容易被烧坏，造成局部或整体倒塌，火灾损失大.对于不向类型、性质的建筑提出不同的耐火等级要求，可做到既有利于消防安全，又有利于节约基本建设投资。建筑物具有较高的耐火等级，可以起到以下几方面的作用:

2.1 在建筑物发生火灾时，确保其能在一定的时间内不破坏，不传播火灾，延缓和阻止火势的蔓延。

2.2 为人们安全疏散提供必要的疏散时间，保证建筑物内人员安全脱险。建筑物层数越多，疏散到地面的距离就越长，所需疏散时间也愈长。为了保证建筑内人员安全疏散，在设计中除了要周密地考虑完善的安全疏散设施外，还要做到承重构件具有足够的耐火能力。

2.3 为消防人员扑救火灾创造有利条件。扑救建筑火灾，消防人员大多要进人建筑物内进行扑救。如果其主体结构没有足够的抵抗火烧的能力，在较短时间内发生局部或全部破坏、倒塌，不仅会给消防扑救工作造成许多困难，而且还可能造成重大伤亡事故。

2.4 为建筑物火灾后重新修复使用提供有利条件。在通常情况下，其主体结构耐火能力好，抵抗火烧时间长，则其火灾时破坏少，灾后修复快。

3 建筑构件的燃烧性能

建筑构件的燃烧性能，反映了建筑构件遇火燃烧或高温作用时的燃烧特点，它由制成建筑构件的材料的燃烧性能而定。不同燃烧性能建筑材料制成的建筑构件，可分为三类:

3.1 不燃烧体

用通过国家标准《建筑材料不燃性试验方法》(GB 5464-85)试验合格的材料，即不燃性材料制成的建筑构件称为不燃烧体。这种构件在空气中受到火烧或高温作用时，不起火、不微燃、不碳化。如砖墙、砖柱，钢筋混凝土梁、板、柱，钢梁等。

3.2 难燃烧体

用通过国家标准《建筑材料难燃性试验方法》(GB 8625-88)试验合格的材料制成的构件，或用可燃性材料作基层，而用不燃性材料作保护层(或隔热层)的构件称为难燃烧体。这类构件在空气中受到火烧及高温作用时，难起火、难微燃、难碳化，当火源移走后，燃烧或微燃立即停止。如阻燃胶合板吊顶、经阻燃处理的木质防火门、木龙骨板条抹灰隔墙等。

3.3 燃烧体

用普通可燃性或易燃性材料制成的建筑构件称为燃烧体。这类构件在明火或高温作用下，能立即着火燃烧，且火源移走后，仍能继续燃烧或微燃。如木柱、木屋架、木搁栅、纤维板吊顶等。

4 我国现有设计方法的缺陷

4.1 建筑物耐火等级的选定不易操作。目前，建筑物功能趋于复杂化和综合化，不同功能区域的火灾性状差别很大，设计值无法选择合理的建筑物耐火等级。

4.2 构件的耐火极限要求不够合理。火灾荷载这一重要因素考虑得不够充分。在相同火灾荷载情况下，火灾的发展性状还与失火房间的大小、形状、开窗面积等因素有很大关系，现有方法没有考虑这些因素。

4.3 构件耐火极限的确定方法不够科学。规范所给出的耐火极限值主要根据一定条件下的有限次试验结果，不能涵盖所有的因素。特别是，实际结构的耐火极限与火灾发生时构件的应力水平密切相关，即结构丧失稳定性是重力荷载和火灾荷载共同作用的结果。现有方法没有反映这一特点。

5 当前耐火设计研究发展趋势

由于科技水平的发展，尤其是高速计算机的广泛应用与普及，使人们利用结构分析方法进行耐火设计成为可能。同时，人们也逐渐认识到，利用标准耐火试验结果去直接指导实际耐火设计具有相当片面性；单一承重构件的耐火性能和实际的结构单元(如连续梁、框架等)相差甚远，破坏机理也不尽相同。所以，目前研究趋势为:

5.1 用过去标准耐火实验研究方法(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，因为该方法可以考虑更多的影响因素，使构件的工作条件更符合实际而费用更为低廉，所以研究方法正在由构件的破坏性试验方法向结构分析方法过渡。

5.2 由于单一构件在火灾中产生的温度内力与框架或其他超定静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。

5.3 由于钢结构耐火研究开展较早，研究得也较深人，而混凝土结构已被证明同样会在火灾中塌垮，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。

5.4 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，用标准温度一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失火分区平均温度一时间曲线代替一呈不变的标准升温曲线。

6 耐火设计方法探索

6.1 根据失火分区具体情况，即火灾荷载大小、通风参数、分区分隔物材料热参数预测计算分区火灾温度～时间关系，以此作为构件升温曲线或以标准升温曲线作为受火条件。

6.2 建立构件导热微分方程，输人构件材料热参数和定解条件，解算构件截面温度场。

6.3 由结构理论建立构件抗力计算模型，按温度场计算结果确定相应的材料力学设计参数，计算构件抗力RF。

6.4 确定火灾时构件可能承受的重力荷载即有效荷载，用力学分析方法计算构件在有效荷载和温度共同作用下的荷载效应SF。

6.5 比较RF和SF，当RF≥SF时，结构可保证稳定而不倒塌，设计结束；当RF

结束语

综上所述，建筑结构耐火设计最终的目地是为了保证火灾发生时以及发生后结构的整体稳定性，不至于整体倒塌，从而为人员的疏散赢得时间，为消防人员扑救火灾创造安全环境，为灾后修复提供有利条件，这是我们设计人员在进行工作时需要持有的理念。

参考文献

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[2]赵玉星.常用建筑结构设计[M].华中科技大学出版社，2008.

[3]王学谦.全国注册结构工程师继续教育必读系列教材，建筑防火[M].中国建筑工业出版社，2000.