建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究

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摘 要：闡述了建筑火災(zāi)的危害性，揭示 目前 我國結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，提出基于 計(jì)算 的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì) 方法 ，并指明了結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)一步 研究的問題 。

  關(guān)鍵詞：建筑火災(zāi);抗火設(shè)計(jì);材料性能   1 火災(zāi)的危害性   我國的火災(zāi)次數(shù)和損失相當(dāng)嚴(yán)重，據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，2000年全國共發(fā)生火災(zāi)189185起，死亡3021人，傷殘4404人，直接財(cái)產(chǎn)損失15.22億元。我國的火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)損失都呈上升趨勢，我國未來的火災(zāi)形勢不容樂觀。迅速采取有效措施，抑制火災(zāi)上升的勢頭，已成為黨、政府和全國人民普遍關(guān)心的問題。   近幾十年來，我國的高層建筑 發(fā)展 非常迅速，建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的問題也日益突出，這些都迫切需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火性能的研究。 現(xiàn)代 建筑中大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有的研究成果，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)(高溫)下鋼材和混凝土的強(qiáng)度、彈性模量等均隨溫度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、鋼材在300度以上，其力學(xué)性能嚴(yán)重惡化，高溫下材料性能的變化是結(jié)構(gòu)的承載力和耐火極限嚴(yán)重下降的一個(gè)主要原因。另外結(jié)構(gòu)受火時(shí)受火面溫度隨周圍環(huán)境溫度迅速升高，但由于混凝土的熱惰性，內(nèi)部溫度增長緩慢，截面上形成不均勻溫度場，而且溫度變化梯度也不均勻，導(dǎo)致不等的溫度變形和截面應(yīng)力重分布，這些變化都足以危及結(jié)構(gòu)的安全性，某些情況下會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。   2 建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究回顧   結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的目的是保證建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)具有足夠的耐火時(shí)間，防止火災(zāi)時(shí)出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌。   2.1 建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究   建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究的目的是掌握建筑火災(zāi)發(fā)展 規(guī)律 ，主要了解氣體溫度變化及煙氣運(yùn)動(dòng)等規(guī)律，從而再現(xiàn)已發(fā)生火災(zāi)和預(yù)測未來火災(zāi)的情況，為建筑防火設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供 科學(xué) 依據(jù)。?   對(duì)建筑火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是一種較為直接、可靠的途徑。它一方面可以給出供計(jì)算用的一些經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)性的模型，另一方面可以為人們從一般原理出發(fā)提出的 理論 和計(jì)算模型提供檢驗(yàn)手段和可靠依據(jù)。1972年，在美國國家科學(xué)基金資助下，美國哈佛大學(xué)現(xiàn)代火災(zāi)科學(xué)之父Howard Emmons教授與工廠聯(lián)合研究公司對(duì)建筑火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行合作研究，其中進(jìn)行了兩次足尺實(shí)體試驗(yàn)。這項(xiàng)研究取得了三方面的重大成果：實(shí)驗(yàn)方面，使用了新的儀器和數(shù)據(jù)處理方法，建立了現(xiàn)代火災(zāi)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；理論方面，建立了現(xiàn)在廣為知曉的區(qū)域火災(zāi)模型；數(shù)值方面，為哈佛大學(xué)的火災(zāi)模擬軟件提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。 2.2 建筑材料高溫下熱工性能和力學(xué)性能研究   建筑材料在高溫下的熱工性能參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)是研究建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中反應(yīng)的基礎(chǔ)。材料的熱工性能參數(shù)包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、質(zhì)量密度以及熱膨脹系數(shù)等。 影響 混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)的因素有骨料類型、水分含量、混凝土的配合比以及溫度等。試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸減小，混凝土的熱膨脹系數(shù)與骨料類型等因素有關(guān)，并且還受試件尺寸、加熱速度等外部條件影響，不同研究者得出的結(jié)果差異較大。相對(duì)于混凝土的力學(xué)性能來說，混凝土的熱工性能研究還較少，但熱工性能參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu) 分析 結(jié)果影響還是比較大的，這方面還有很多工作要做。   2.3 建筑構(gòu)件內(nèi)溫度場研究   材料的力學(xué)性能與溫度密切相關(guān)，所以，搞清構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化過程是計(jì)算構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)反應(yīng)的前提。發(fā)生建筑火災(zāi)時(shí)，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對(duì)流以及熱傳導(dǎo)方式傳遞給建筑構(gòu)件表面，再通過熱傳導(dǎo)向構(gòu)件內(nèi)部傳遞。構(gòu)件內(nèi)溫度場是一個(gè)隨時(shí)間變化的變溫度場，一般可通過對(duì)傅立葉導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行數(shù)值求解獲得構(gòu)件內(nèi)的溫度分布。有限單元法是計(jì)算構(gòu)件內(nèi)溫度場的一種理想方法。為了減少計(jì)算工作量，目前普遍假設(shè)梁、柱等細(xì)長構(gòu)件的溫度分布沿軸線方向無變化，把三維溫度場問題簡化成二維問題。   3 合理的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法   基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)，可以免除傳統(tǒng)的基于試驗(yàn)(經(jīng)驗(yàn))的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法所存在的問題，目前已被各國普遍接受并在設(shè)計(jì)規(guī)范中采納。   3.1 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)要求   （1）在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)極限時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的承載力Rd應(yīng)不小于各種作用產(chǎn)生的組合效應(yīng)Sm，即Rd≥Sm；   （2）在規(guī)定的各種荷載組合下，結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間td應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限tm，即td≥tm；   （3）火災(zāi)下，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻時(shí)，若結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)的溫度為臨界溫度Td，則Td應(yīng)不小于在耐火極限時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度Tm，即Td≥Tm。   上述三個(gè)要求實(shí)際上是等效的，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)時(shí)，滿足其一即可。   3.2 基于 計(jì)算 的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì) 方法    （1）采用確定的防火措施；   （2）計(jì)算構(gòu)件在確定的防火措施和耐火極限條件下的內(nèi)部溫度；   （3）采用確定的高溫下材料的參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)中該構(gòu)件在外荷載的內(nèi)力；   （4）由計(jì)算的溫度場確定等效截面和等效強(qiáng)度；   （5）根據(jù)構(gòu)件和受載的類型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算； （6）當(dāng)不滿足要求時(shí)，重復(fù)以上步驟。   4 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的 研究 方向     盡管 目前 在結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)和 分析 方面已經(jīng)開展了一些研究，但對(duì)了解和掌握結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)特性、提高結(jié)構(gòu)抗火性能、建立結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法方面仍有許多工作有待完善和進(jìn)一步開展。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：   4.1 材料性能   由于混凝土和鋼材本身化學(xué)成分的差異，在溫度 影響 下，材料力學(xué)性能有一定的離散性，必須通過一定數(shù)量的不同材料的試驗(yàn)以確定其基本性能及變化特征。同時(shí)，通過材料性能試驗(yàn)，尋找在高溫下性能優(yōu)良的材料，以提高結(jié)構(gòu)抗火能力。對(duì)目前國內(nèi)外進(jìn)行的高溫材料試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行 總結(jié) ，并建立可供計(jì)算機(jī)程序用的材料高溫(火災(zāi))性能數(shù)據(jù)庫是火災(zāi)材料研究的一個(gè)重點(diǎn)。   4.2 熱傳導(dǎo)及溫度場分布   對(duì)鋼筋保護(hù)層厚度、表面防火材料使用的效果進(jìn)行研究，以確定提高結(jié)構(gòu)抗火性能的有效途徑。   4.3 結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的可靠度分析   采用概率的概念來評(píng)估工程結(jié)構(gòu)的安全度（即可靠度）已被工程界廣泛接受，但對(duì)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下如何確定其安全度仍有待研究。由于火災(zāi)發(fā)生的可能性、火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間和峰值強(qiáng)度、發(fā)生火災(zāi)時(shí)結(jié)構(gòu)承受的荷載等并不確定，以及材料在溫度下性能的更趨離散等因素均會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐火性能。因此如何在設(shè)計(jì)中對(duì)這些因素進(jìn)行綜合考慮，以確定其耐火安全度是今后面臨的一個(gè)重大課題。結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的可靠度分析也是對(duì)現(xiàn)有建筑物進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)重要方面，對(duì)今后房屋交易、保險(xiǎn)等均有重大意義。 4.4 火災(zāi)后鑒定和修復(fù)   由于 經(jīng)濟(jì) 條件限制，我國有相當(dāng)一部分建筑在設(shè)計(jì)上對(duì)防火技術(shù)措施未予考慮或考慮不夠周密，火災(zāi)后往往造成建筑結(jié)構(gòu)損傷、破壞或倒塌，造成的結(jié)構(gòu)破壞情況較多。通?；馂?zāi)后所采取的處理措施是進(jìn)行修復(fù)加固，但我國在這方面的研究起步較晚，目前尚無專門的法規(guī)。    參考  文獻(xiàn)    ［1］? 中國 統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒2001［M］.北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2002.   ［2］?中國統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒2002［M］.北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，2003.   ［3］?Craig Beyler. Professor Howard Emmons 1912-1988［J］Fire Technology， 1999， 35(1)：1-3.