1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火耐熱設(shè)計構(gòu)想作者：西南大學王雙摘要:該篇首先介紹了火災(zāi)的危害以及對國民經(jīng)濟造成的嚴重損失，然后根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和 以往的資料，從建筑物火災(zāi)發(fā)展及室內(nèi)火災(zāi)的升溫過程、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下和高 溫后的力學性能、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法、火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估和加固 方法等的研究等方面對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火耐熱設(shè)計進行了論述;并且在總結(jié)了目前國內(nèi)外 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的主要進展及成果的基礎(chǔ)上，指出了結(jié)構(gòu)抗火研究尚存在的一些問 題；最后，對結(jié)構(gòu)抗火耐熱設(shè)計發(fā)展方向進行了構(gòu)想。關(guān)鍵詞：火災(zāi)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；力學性能；抗火耐熱設(shè)計火災(zāi)，作為一種人為災(zāi)害，是指火源失去控制蔓延

2、發(fā)展而給人民生命財產(chǎn)造成損失的一 種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象。火災(zāi)給人類的生命財產(chǎn)造成極大的損失，火災(zāi)造成的經(jīng)濟損失僅次于干 旱和洪澇，而發(fā)生的頻度則位居各種災(zāi)種之首。據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計中心及歐洲共同體研究測算， 如火災(zāi)直接損失占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的2%。，整個火災(zāi)的損失將占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的10%。 以上。現(xiàn)代社會空前發(fā)展，積累了巨大的社會財富。特別是在城市地區(qū)，社會人口相對集中， 建筑設(shè)施鱗次櫛比，一旦發(fā)生火災(zāi)，會嚴重危害人們的生命財產(chǎn)安全，造成慘重的損失。因 此，我國政府高度重視消防安全工作。我國的火災(zāi)次數(shù)和損失也是相當嚴重的，近年來，我 國城市火災(zāi)頻頻，深圳、廣州、上海、長沙、石河子、吉林、浙江等地發(fā)

3、生的特大火災(zāi)所造 成的危害及后果，給人們留下了極其深刻的印象，火災(zāi)給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大 的損失。目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國主要建筑結(jié)構(gòu)形式之一。盡管鋼筋和混凝土材料屬于 熱惰性材料，但由于火災(zāi)的高溫作用，材料性能將嚴重劣化，在結(jié)構(gòu)中將發(fā)生嚴重的內(nèi)（應(yīng)） 力重分布，使結(jié)構(gòu)性能大大削弱，危及結(jié)構(gòu)的安全。建筑結(jié)構(gòu)特別是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在 火災(zāi)中坍塌的事故時有發(fā)生，往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。火災(zāi)危害之烈，損失之 巨，不亞于地震和洪水的危害，因此，研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能十分必要和迫切。關(guān)于建筑物火災(zāi)從發(fā)生到熄滅的全過程，一般可以分為三個階段:火災(zāi)初始階段、火災(zāi)旺 盛階段和火災(zāi)

4、衰退熄滅階段。在火災(zāi)初始階段,由于溫度低，對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的影響不很顯著， 因此一般不對該時段進行分析。火災(zāi)旺盛階段是對結(jié)構(gòu)造成損傷的主要階段是抗火研究的 重點。確定火災(zāi)環(huán)境,需要掌握火災(zāi)全過程，特別是火災(zāi)旺盛階段的變化規(guī)律，對研究至關(guān)重 要。1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究進展及尚存在的問題縱觀國內(nèi)外對建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的研究，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的研究成果體現(xiàn)在以 下4個方面：建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下和高溫后的力學性 能研究；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法的研究；火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的損傷評估和加 固方法的研究。1. 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，主要包括實際火災(zāi)的

5、發(fā)展與升溫曲線研究、火災(zāi)及其煙氣的蔓延和發(fā)展規(guī)律研究、建筑火災(zāi)發(fā)展的計算機模擬3項主要內(nèi)容。其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動規(guī)律和建筑物的耐火極限等，從而再現(xiàn)已發(fā)生火災(zāi) 和預(yù)測未來可能火災(zāi)的情況，為建筑防火設(shè)計和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計提供科學依據(jù)。火災(zāi)的發(fā)展過程一般要經(jīng)歷3個階段，即：初起階段、發(fā)展階段和衰減熄滅階段，其中 發(fā)展階段持續(xù)的時間和達到的最高溫度對結(jié)構(gòu)的抗火性能起決定性作用。火場中的溫度一時 間變化關(guān)系直接影響著結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的變化，而影響火場溫度變化的因素主要有：室內(nèi)火 荷載的性質(zhì)、數(shù)量和分布；房間的面積、形狀及通風情況；建筑材料的熱工性能等。對火災(zāi) 發(fā)展過程

6、的研究手段主要有試驗研究和火災(zāi)計算機模擬兩種。對建筑火災(zāi)發(fā)展過程進行實驗 研究是一種較為直接、可靠的途徑。1. 2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)高溫下和高溫后的力學性能研究該研究主要包括構(gòu)件內(nèi)部溫度場的研究、結(jié)構(gòu)材料的高溫性能研究、基本構(gòu)件的高溫 性能研究和結(jié)構(gòu)的高溫性能研究。現(xiàn)階段準確了解和確定結(jié)構(gòu)火災(zāi)行為的途徑有兩種，即進 行足尺模型的高溫實驗和利用高速計算機進行結(jié)構(gòu)受力全過程分析。1. 2. 1構(gòu)件內(nèi)部溫度場的研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和承載力等產(chǎn)生很大的影響和變化，但結(jié)構(gòu)的內(nèi) 力狀態(tài)、變形和細微裂縫等對溫度場的影響卻很小，因此結(jié)構(gòu)溫度場分析必須先于結(jié)構(gòu)內(nèi)力 和變形分析，同時可獨立于結(jié)

7、構(gòu)內(nèi)力和變形分析。影響構(gòu)件內(nèi)部溫度場的因素主要有：火場 的溫度一時間過程，構(gòu)件的形狀和尺寸，受火方式，以及混凝土材料的熱工性能等。目前用 于結(jié)構(gòu)溫度場分析的火場升溫曲線大多使用國際標準化組織給出的ISO 834標準升溫曲線。 需要指出的是，標準升溫曲線并不是實際的火場升溫曲線，只是鑒于實際火災(zāi)的復(fù)雜性，為 了對結(jié)構(gòu)提出統(tǒng)一的抗火要求，并作為構(gòu)件和結(jié)構(gòu)抗火試驗的依據(jù)而對實際火場的一種簡化 近似。隨著性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的提出，標準升溫曲線已不能滿足要求，而趨向于利用前述 火災(zāi)計算機模擬研究中得到的接近實際的火場升溫曲線作為結(jié)構(gòu)溫度場分析的依據(jù)。在火災(zāi) 作用下，鋼筋混凝土構(gòu)件的邊界溫度條件和混凝土的

8、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、質(zhì)量密度等熱工性能 參數(shù)都隨時間而變化，截面上的熱傳導(dǎo)問題是一個非線性的瞬態(tài)問題，其控制方程為非線性 拋物線型偏微分方程。對實際問題，很難得到解析解，一般采用數(shù)值解法。目前的數(shù)值求解 方法中，差分法是一種常用的數(shù)值計算方法，其不足是要求求解區(qū)域比較規(guī)則，適用范圍有 限。有限單元法是計算結(jié)構(gòu)溫度場的一種理想方法，但是計算量較大。目前通常是在空間域 上采用有限單元法、在時間域上采用有限差分法，充分利用兩者優(yōu)點來計算溫度場的變化。目前文獻中給出的方法中，有的只考慮一維墻板的熱傳導(dǎo)問題，利用一維無限大平板熱 導(dǎo)熱問題的解析解或只進行一維差分或有限元計算；有的簡化過多，將二維問題簡化為一

9、維 問題來處理；有的是進行二維分析，但模型較為簡單；還鮮有文獻給出考慮三維結(jié)構(gòu)的方 法。另外國內(nèi)還很少有文獻考慮砼中的水分對于熱傳導(dǎo)的影響。1. 2. 2鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能的研究材料的高溫性能是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析及火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷評估與修復(fù)加固 的基礎(chǔ)，國內(nèi)外對鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能進行了大量的研究。在進行 構(gòu)件溫度場分布的分析時涉及到的材料熱工性能有3項，即導(dǎo)熱系數(shù)、質(zhì)量熱容和質(zhì)量密度，其他的參數(shù)可以由這3項推導(dǎo)出。浙江大學、西南交通大學、江蘇省建筑科學研究院、煙臺 大學、哈爾濱建筑大學、淡江大學、中南大學等對火災(zāi)后混凝土和鋼筋的強度、彈性模量、

10、 本構(gòu)關(guān)系及粘結(jié)強度等進行了研究。清華大學、同濟大學對高溫下混凝土和鋼筋的力學性能 進行了實驗和理論研究。雖然關(guān)于材料的高溫力學性能的研究取得了不少成績，但是實際結(jié) 構(gòu)火災(zāi)中材料常常處于多向應(yīng)力狀態(tài)，為了準確地進行結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)分析，研究高溫下多向 應(yīng)力作用下混凝土及鋼材的力學性能是必要的，這將為結(jié)構(gòu)的三維非線性有限元分析奠定堅 實的基礎(chǔ)。但到目前為止，國內(nèi)外有關(guān)高溫下與高溫后混凝土力學性能的研究結(jié)果幾乎都是 針對單向受力情況，高溫下多軸力學性能的研究成果只見到極少的文獻報道，與實際需要相 差甚遠，還有待進一步深入研究。1. 2. 3梁板柱單個構(gòu)件在火災(zāi)作用下的受力和變形研究對于構(gòu)件的受火性能研

11、究國內(nèi)外已有較多的試驗研究報道，且多為原型構(gòu)件在大型試驗爐內(nèi)的耐火極限試驗。 國內(nèi)很多高校對鋼筋混凝土構(gòu)件進行了抗火試驗，清華大學對17根鋼筋混凝土簡支梁進行 了抗火試驗（最高溫度達850oC），考察了不同荷載水平、混凝土保護層厚度、縱向鋼筋配筋 率對梁受力性能的影響。此外，還研究了不同恒定溫度下的極限抗彎強度和極限抗剪強度。 同濟大學進行過不同升溫曲線、荷載水平和保護層厚度下簡支梁的抗火性能試驗。中南大 學研究了在三面受火條件下配筋率、初始荷載對簡支梁火災(zāi)后和火災(zāi)下力學性能的變化規(guī)律。 清華大學對三面高溫的對稱配筋鋼筋混凝土受壓柱的系統(tǒng)研究，考察了不同溫度工況下三面 和兩面受火軸心及偏心柱的

12、裂縫、變形和承載力等受力性能的變化規(guī)律。由上可見，目前國 內(nèi)外對于構(gòu)件的耐火極限研究較多，而對于構(gòu)件的高溫力學性能的研究不夠全面系統(tǒng)。基于 這一現(xiàn)狀，有必要系統(tǒng)地研究不同構(gòu)件形狀或尺寸、不同受火方式、不同約束條件對構(gòu)件高 溫受力性能的影響規(guī)律。1. 2. 4整體結(jié)構(gòu)抗火性能實驗研究由于試驗比較復(fù)雜，混凝土超靜定結(jié)構(gòu)的抗火試驗國內(nèi)外都進行得比較少。由于高溫測 量技術(shù)的困難，已有的試驗一般只是給出了構(gòu)件最終的耐火極限，缺少對結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變 化過程的測量和分析。美國、德國、英國、加拿大、13本等國的專家，對混凝土結(jié)構(gòu)在火 災(zāi)高溫環(huán)境中的反應(yīng)及耐火性能進行了一系列的試驗研究，就結(jié)構(gòu)在荷載及高溫共同作

13、用下 的應(yīng)力分布、變形、破壞特征等多方面進行了研究，并提出了各種混凝土結(jié)構(gòu)的抗火分析方 法和設(shè)計理論。清華大學。和同濟大學口分別對兩跨連續(xù)梁進行了抗火試驗，同濟大學考慮 了單跨升溫、雙跨升溫和支座升溫等因素，清華大學考慮了加載位置、荷載水平以及單跨升 溫和雙跨升溫等幾種因素。西安建筑科技大學13對三跨的連續(xù)板進行了試驗，考慮了邊跨、 中跨、兩臨跨受火幾種情況。此外同濟大學對五棉單層雙跨RC框架進行了使用荷載作用下、 不同溫度、不同加熱形式下的火災(zāi)試驗，對火災(zāi)中結(jié)構(gòu)反應(yīng)進行了分析。清華大學對4棉門 式框架進行了抗火試驗，以研究不同恒載水平和不同梁柱剛度比對框架的高溫性能的影響。 這些試驗得出了結(jié)

14、構(gòu)在高溫作用下的破壞特征，以及變形、極限高溫承載力和內(nèi)力重分布過 程的變化規(guī)律。但是由于試驗條件的限制，目前對于整體結(jié)構(gòu)的試驗研究尚處于起步階段， 對火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)、承載能力和破壞特性缺乏深入、系統(tǒng)的研究。因此有必要進行實體火災(zāi)試驗， 模擬不同區(qū)域發(fā)生真實火災(zāi)時結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，為計算機模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1. 3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法的研究對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行抗火設(shè)計，是避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中發(fā)生破壞或整體倒塌的前提和保證。 混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計，可從兩個途徑進行研究：一是把火災(zāi)的高溫作用等效為一種荷載， 與結(jié)構(gòu)上的其他荷載(恒載、活載、風載、地震作用等一起參與荷載效應(yīng)組合，按概率極限 狀態(tài)

15、設(shè)計方法進行設(shè)計，即建立考慮火災(zāi)高溫作用的統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；二是對已按常 規(guī)方法設(shè)計的混凝土結(jié)構(gòu)，進行抗火能力的驗算，以滿足相應(yīng)的抗火要求。目前，多數(shù)國家規(guī)范中采用耐火等級的設(shè)計概念進行防火設(shè)計，即通過標準耐火試驗確 定構(gòu)件的耐火時間，若耐火時間符合受火時間的要求，就認為這個構(gòu)件滿足設(shè)計要求。我國 現(xiàn)行的建筑設(shè)計防火規(guī)范和高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范采用的就是這種設(shè)計方法。 這種基于試驗的構(gòu)件抗火設(shè)計方法簡單直觀、便于運用，但這種方法缺乏合理性及理論陛， 它不能從根本上考慮材料性能劣化的過程，不能準確模擬構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的實際受力情況和端 部約束，存在著建筑物防火設(shè)備的安裝和結(jié)構(gòu)耐火極限提高之間的矛

16、盾，且試驗費用昂貴， 因此越來越多的國家開始采用“結(jié)構(gòu)防火的計算分析方法”，以期達到真正抗火設(shè)計目的。 從20世紀7O年代之后，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法轉(zhuǎn)為基于構(gòu)件計算的現(xiàn)代方法。英、美、Et等 國進行了考慮荷載的分布和大小及構(gòu)件端部約束對構(gòu)件耐火時間影響的大量計算分析。目前， 很多學者開展了大量研究，這些研究主要是用有限元方法，也有一些采用經(jīng)典解析方法，基 本建立了能考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)影響的構(gòu)件防火設(shè)計方法。我國李引擎提出 了結(jié)構(gòu)防火設(shè)計計算的驗算方法，考慮高溫下鋼筋和混凝土的強度降低及火災(zāi)的瞬息性特點， 按常溫下的計算程序進行構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的防火強度驗算，并提出了詳細的防火構(gòu)造規(guī)則。美國

17、混凝土協(xié)(ACI216)提出了采用“火災(zāi)烈度”的概念進行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的思想。研究指出， 當鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土為隔間界時，火災(zāi)全盛期隔間界吸收的平均熱通量q與全盛 火災(zāi)持續(xù)時間t的乘積在一定程度上反映火災(zāi)烈度的大小。這種方法已被許多國家的結(jié)構(gòu)設(shè) 計規(guī)范采用，我國地方性規(guī)范上海市鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程也已經(jīng)采用了這種基于計算的 抗火設(shè)計方法，但我國現(xiàn)在還沒有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計的國家規(guī)范圳。前面所提到的 是基于計算的構(gòu)件抗火設(shè)計方法，但結(jié)構(gòu)的主要功能是作為整體承受荷載，火災(zāi)下單個構(gòu)件 的破壞，并不一定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞。一般情況下，結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞，將引 起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)仍具

18、有一定繼續(xù)承受荷載的能力，當結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計以防止整體結(jié) 構(gòu)倒塌為目的時，則基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進行抗火設(shè)計更為合理。目前結(jié)構(gòu)火 災(zāi)下的整體反應(yīng)仍是熱門研究課題，還沒有提出適于工程使用的方法被有關(guān)規(guī)范采納。結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計是當前建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計研究的前沿，它不明確規(guī)定某項解決方案， 而只是確定建筑要達到的總體目標要求或設(shè)計性能水平，規(guī)定一系列性能目標和可以量化的 性能準則及設(shè)計準則，且一般附有一個指導(dǎo)設(shè)計的技術(shù)文件。性能化設(shè)計是一種新型的防火 系統(tǒng)設(shè)計思路，是建立在更加理性條件上的一種新的設(shè)計方法。1996年國家開始組織有關(guān) 單位和人員系統(tǒng)地開展相關(guān)研究，目前已取得一些成果。2004

19、年，李國強提出了鋼結(jié)構(gòu)性 能化抗火設(shè)計的基本設(shè)想；2005年，李引擎出版了建筑防火性能化設(shè)計，介紹了性能 化設(shè)計的基本原理以及一些典型建筑的抗火性能化設(shè)計方法。但結(jié)構(gòu)抗火的性能化設(shè)計仍是 一個有待研究的課題，它將是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的發(fā)展方向。綜上所述，目前的抗火設(shè)計方法大多還是基于構(gòu)件層次的、確定性的分析方法，構(gòu)件的 耐火極限要求也是基于“處方式”建筑防火設(shè)計規(guī)范的要求確定的，而一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞 并不能代表整個的破壞，目前“處方式”建筑防火設(shè)計規(guī)范確定構(gòu)件耐火極限不能完全反映 建筑物的火災(zāi)特性空間特性和結(jié)構(gòu)特性的影響，也不能滿足建筑結(jié)構(gòu)可靠性和最優(yōu)成本的要 求，對于大跨度建筑物尤其如此，因此有必

20、要基于建筑物的整體消防安全目標確定結(jié)構(gòu)的抗 火設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)進行基于性能目標要求的抗火設(shè)計。1.4火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評估和加固方法的研究在發(fā)生火災(zāi)的建筑物中，大部分混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件并未失效或倒塌，經(jīng)過一定的加固和修復(fù)后 能繼續(xù)使用，這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。由于混凝土結(jié)構(gòu)受到的損傷程度不同，因此在加固 之前要對其損傷程度進行評估，在具體操作上，可采用觀察和計算相結(jié)合的方法。通過觀察 燃燒殘留物的性狀和分布、結(jié)構(gòu)表面的物理特征，用回彈法、磁力探傷法、超聲法、鉆取芯 樣法、恒壓恒速沖擊鉆法等對重要部位進行現(xiàn)場或?qū)嶒炇覚z測，然后通過計算來確定結(jié)構(gòu)的 損傷度，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的損傷情況制定出合理的方案，對受損混凝土結(jié)構(gòu)進行修復(fù)和加固。目 前，對現(xiàn)有建筑火災(zāi)后加固方法的研究非常活躍，常用加固方法有加大截面法、粘鋼加固法、 體外預(yù)應(yīng)力法等。2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究發(fā)展趨勢目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的總趨勢為：考慮建筑物的真實火災(zāi)特性、基于整體結(jié) 構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)、確定結(jié)構(gòu)抗火性能指標、對結(jié)構(gòu)進行性能化抗火設(shè)計是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計研究的 發(fā)展趨勢。為此，特別需要進一步深入研究下列問題。2. 1材料高溫性能的深入研究及數(shù)據(jù)庫的建立今后應(yīng)大力加強多軸應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫材料特性、升溫和降溫反復(fù)作用對 材料特性的影響、高溫下加載與卸載對材料