1、建筑结构抗火性能研究【摘要】建筑火灾发展过程是一个复杂的传热、传质、湍流过程，由于燃烧过程不易控制，边界条件较难模拟等原因，使得准确计算出火灾过程中各时刻的温度场还比较困难。在进行结构的抗火性能分析时，较多采用的方法是，假定着火房间内的气体在空间上各点的温度相同，通过开口因子和火荷载密度等参数近似计算出房间内气体的温度-时间曲线。显然，这种方法比较粗糙，与实际情况有一定差别，更准确的基于计算流体动力学等理论的方法正在发展之中。 【关键词】建筑结构，火灾，抗火性 加拿大、瑞典、挪威、新西兰、澳大利亚、日本等国也对火灾问题进行了广泛研究，并取得了大量成果。在我国，公安部四川消防科学研究所在 197
2、2 年率先开展建筑构件抗火性能研究，于 1973 年建立了两座燃烧试验炉，对梁、板、柱、墙、屋面板等的耐火等级进行试验研究。进入 20 世纪 80 年代，中国建筑科学研究院、同济大学、清华大学、江苏省建筑科学研究院、西南交通大学等单位对建筑材料的热工性能、建筑构件及结构的耐火性能进行了一系列试验研究及理论分析，推进了火灾研究在中国的发展。1989 年，火灾科学国家重点实验室在中国科学技术大学成立，标志着我国火灾科学研究进入了新的阶段。 通过各国科研人员的努力，逐渐形成了火灾科学的基本思想，构筑了火灾科学的框架体系。1985-10，从事火灾科学研究的专家们聚集美国，召开了第一届国际火灾科学大会，
3、宣告“火灾科学”正式诞生。 火灾科学主要研究火灾共同规律，如火灾发生、火灾蔓延、烟气运动等，也研究不同种类火灾中的特殊现象。建筑火灾一般是指危害建筑物本身及建筑物中生命、财产的火灾，是火灾科学的主要研究领域之一。建筑火灾研究包括火灾探测、烟气运动、人员疏散、灭火技术、防火设计、抗火设计、损失评估等诸多内容，本文仅就与结构抗火设计相关的内容进行回顾，并对今后发展进行展望。 结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。建筑结构抗火性能研究涉及以下几方面内容：建筑火灾的发展过程；高温下材料的热工性能、力学性能；火灾时结构的热反应和结构反应；结构抗火分
4、析软件等等。各国学者对建筑结构抗火性能进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。 建筑材料在高温下的热工性能参数以及力学性能参数是研究建筑结构在火灾中反应的基础。材料的热工性能参数包括热传导系数、比热容、质量密度以及热膨胀系数等。影响混凝土热传导系数的因素有骨料类型、水分含量、混凝土的配合比以及温度等。随着温度的升高，混凝土的热传导系数逐渐减小，而其它几种因素的影响越来越不明显，Lie 等给出了常用混凝土的热传导系数与温度关系的简化公式。混凝土的热膨胀系数与骨料类型等因素有关，并且还受试件尺寸、加热速度等外部条件影响，不同研究者得出的结果差异较大，Huang 对比了 Lie、Wood 以及Nizam
5、uddin 给出的公式，最大差值在 2 倍以上。相对于混凝土的力学性能来说，混凝土的热工性能研究还较少，但热工性能参数对结构分析结果影响还是比较大的，这方面还有很多工作要做。 材料的力学性能与温度密切相关，所以，搞清构件内部各点的温度变化过程是计算构件及结构在火灾中结构反应的前提。发生建筑火灾时，可燃物释放的热量通过热辐射、热对流以及热传导方式传递给建筑构件表面，再通过热传导向构件内部传递。构件内温度场是一个随时间变化的变温度场，一般可通过对傅立叶导热微分方程进行数值求解获得构件内的温度分布。有限单元法是计算构件内温度场的一种理想方法。为了减少计算工作量，目前普遍假设梁、柱等细长构件的温度分布
6、沿轴线方向无变化，把三维温度场问题简化成二维问题。由于混凝土的导热系数和比热容是温度的函数，且边界条件与环境因素有关，火灾时构件内温度场是一个复杂的非线性瞬态问题。通常在空间域上采用有限单元法、在时间域上采用有限差分法，充分利用两者优点来计算温度场的变化。9?11 恐怖袭击以后的调查研究发现，建筑结构中结点的抗火性能对整个结构的影响很大，而结点内的温度分布是三维的，因此，火灾下构件内三维温度场分析已经引起重视。 混凝土内水分的运动及蒸发对构件内温度场有一定的影响，但计算混凝土内部的水分运动是十分复杂的，因此，在计算普通混凝土构件内的温度场时，水分的影响通常忽略不计。火灾下普通混凝土出现爆裂的可
7、能性较小，所以，进行普通钢筋混凝土构件内温度场分析时，不考虑应力场对温度场的影响。 高性能混凝土在高温作用下，很容易产生爆裂的现象，这将导致钢筋外露，直接受火，降低承载能力。主要原因之一是高性能混凝土非常致密，水分扩散困难，水蒸汽压力过大；另一个主要原因是混凝土中压力过高。James 等对高温下混凝土构件内的温度变化、气压变化、水分运动等采用有限单元法及有限容积法进行耦合分析，取得了较好的效果，对研究高性能混凝土的抗火性能具有积极意义。 提高建筑材料自身的耐火性能这方面的进展可以起到事半功倍的效果，可以减少被动防火措施，降低工程造价，加快施工进度。目前，开发耐火耐候钢是一个重要研究课题，据报道
8、，武汉钢铁公司在这方面取得了重要的进展，其产品已经用于国家大剧院的工程中。另外，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，混凝土在高温、双向受力条件下的本构关系实验数据还很少，高温、三向受力条件下的本构关系实验数据几乎没有。建筑材料在高温下的热工性能实验数据也比较缺乏，一些关键的数据如对流换热系数等还难以确定。 专家的在对世贸大厦 5 号楼进行调查时发现，结点在火灾中受到严重破坏是导致大楼倒塌的一个主要原因。目前，关于结点抗火性能的研究还进行得很少，英国建筑研究院在 2003 年进行了一些实验。 性能化抗火设计方法的特点是确定建筑结构在火灾中应该达到的目标，但并不限制实现目标的手段。因此，进行结构抗火性能分析时，除了要考虑结构本身的抗火性能以外，还要考虑建筑中的水喷淋等主动消防设施的有利影响以及消防队的干预作用，包含了很多不确定因素及软因素，这方面还有大量工作要做。
