田欣喬　張建順

【摘 要】如果發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)高溫將嚴重惡化結(jié)構(gòu)材料的性能，結(jié)構(gòu)構(gòu)建的內(nèi)力分布也會被重新改變，產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)變形。結(jié)構(gòu)材料的承載力將會減弱，危機建筑物安全。因此，科學(xué)地設(shè)計建筑物抗火結(jié)構(gòu)，形成完善的、可靠的抗火設(shè)計方案，是學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的問題。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)；抗火；設(shè)計

火災(zāi)給人類帶來的損失是巨大的，其中，建筑物火災(zāi)的發(fā)生頻率和造成的損失遠高于其他形式的火災(zāi)。目前，我國的建筑物隨著經(jīng)濟的發(fā)展也在快速發(fā)展，高層、多層、多功能建筑物越來越普及，建筑物內(nèi)的人口密度也在不斷提高，發(fā)生火災(zāi)時造成的危害也就越大。本文將對建筑物結(jié)構(gòu)抗火性能進行分析和建議。

1.以往的建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究情況

1.1對建筑火災(zāi)發(fā)展過程的研究

研究建筑火災(zāi)發(fā)展過程的目的，就是掌握建筑火災(zāi)發(fā)生的原因和規(guī)律，了解火災(zāi)發(fā)生過程中的氣體、溫度等的變化，預(yù)測未來發(fā)生火災(zāi)的可能性，從而為科學(xué)地設(shè)計建筑物抗火結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1.2對高溫下建筑材料的受力性能的研究

高溫下建筑材料易發(fā)生形變，材料的力學(xué)性能也會隨之發(fā)生變化。高溫下材料的熱工性能和力學(xué)性能是人們研究的重要課題。熱工性能主要包括比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等?；炷恋墓橇项愋?、溫度、水分含量和各材料的混合比都會影響混凝土的熱傳導(dǎo)性能。混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度的升高而下降，其它幾種因素的影響也會越來越小。與混凝土的力學(xué)性能研究相比，對其熱工性能的研究較少，因此在這方面還有很大的研究空間。

1.3對建筑構(gòu)件內(nèi)部的溫度場的研究

材料的溫度與力學(xué)性能有密切的關(guān)系。研究材料內(nèi)部各點的溫度變化過程能為計算構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火宅中的反應(yīng)提供依據(jù)。建筑火宅如果發(fā)生，釋放的熱量將會通過熱輻射、熱對流等傳到方式傳遞到建筑物表層，再通過熱傳導(dǎo)傳遞到構(gòu)件內(nèi)部。構(gòu)件內(nèi)部的溫度場會隨時間變化，一般可以通過傅立葉熱微分方程計算構(gòu)建內(nèi)部的溫度分布情況?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度具有函數(shù)關(guān)系，且環(huán)境因素會影響邊界條件，因此火災(zāi)發(fā)生時構(gòu)建內(nèi)部的溫度場是非線性瞬態(tài)問題。

1.4對建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的實驗研究

人們已經(jīng)對梁、柱、板等建筑構(gòu)件進行過抗火性能測試和研究，并得出了配套的計算公式。Ellingwood等對不同截面形狀的鋼筋混凈土進行試驗，考察了混凝土保護層厚度、荷載水平、升溫方案等對簡支梁耐火性能的影響，并得出了相關(guān)結(jié)論。臺灣交通大學(xué)也對混凝土的抗火性能進行了研究，對剝落現(xiàn)象進行了證明。

1.5對相關(guān)軟件的研究

計算機軟件的發(fā)展對分析建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能具有重要意義。1977年麻省理工學(xué)院和伯克利加州大學(xué)聯(lián)合建立了火災(zāi)中框架反應(yīng)的分析軟件。該軟件經(jīng)過多次修改和升級，如今已經(jīng)具備了完善的分析能力。1979年，瑞典國家試驗研究院也設(shè)計了類似的軟件對建筑物火災(zāi)情況進行分析，隨著不斷的完善，目前已運用到試驗和教學(xué)活動中。近年來我國對鋼筋混凝土的分析軟件也在不斷優(yōu)化，目前，火災(zāi)情況中建筑物的二維溫度場、三位溫度場和結(jié)構(gòu)的變形、開裂等情況都能通過可視化的技術(shù)顯示出來。

2.如何提高建筑物抗火性能

通過對以往研究的分析和綜合，對建筑物抗火性能的研究將會呈現(xiàn)出研究內(nèi)容多樣化、設(shè)備先進化、考慮因素綜合化等趨勢。筆者結(jié)合對現(xiàn)實情況和理論發(fā)展的總結(jié)和分析，對建筑結(jié)構(gòu)抗火性能的提高提出以下建議：

2.1開發(fā)耐火的建筑材料

提高建筑材料自身的耐火性對減輕火災(zāi)損失具有事半功倍的作用，同時，可以減少工程支出，加快施工進度。耐火材料的開發(fā)是當(dāng)今一個重要的研究課題。據(jù)悉，武漢某鋼鐵公司在耐火材料的研發(fā)上有重要突破，而且其產(chǎn)品已經(jīng)被運用到國家大劇院的工程建設(shè)中。此外，提高混凝土的耐火性也是人們研究的重要課題之一。加拿大國家研究院通過實驗證明，添加纖維對防止混凝土爆裂具有顯著的作用。

2.2加大實驗投入，獲取實驗數(shù)據(jù)

當(dāng)前，有關(guān)混凝土在高溫和雙向受力條件下的本構(gòu)關(guān)系實驗數(shù)據(jù)比較少，而高溫和三相受力下的本構(gòu)關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)幾乎為零。高溫條件下建筑材料的熱工性能的實驗數(shù)據(jù)也很少，某些關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，如對流換熱系數(shù)等還是難以確定。因此，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能，應(yīng)當(dāng)加大科研和實驗投入，通過實驗獲得更多有用的數(shù)據(jù)，以促進研究的深化和材料的開發(fā)。

2.3研究節(jié)點的耐火性能

專家通過對世貿(mào)大廈5號樓的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)點在火災(zāi)中嚴重受損是造成大樓坍塌的主要原因。當(dāng)前，結(jié)點耐火性能的研究還相當(dāng)少，結(jié)點作為建筑物受力和分散力的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)?shù)玫窖芯空叩闹匾?，通過對結(jié)點耐火性能的研究，設(shè)計出更加合理的建筑結(jié)構(gòu)。

2.4開發(fā)性能化的抗火設(shè)計方法

性能化抗火設(shè)計方法，雖然注重確定建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中應(yīng)該達到的目標(biāo)，但對目標(biāo)實現(xiàn)的手段并無限制。因此，在對建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能進行分析時，除應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)本身的抗火性能外，還應(yīng)考慮建筑物中主動消防設(shè)施的影響和消防隊員的作用。此外，增強大型設(shè)備的投入和實驗，突破目前單一實驗設(shè)備的限制，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供更多便利。

2.5開發(fā)抗火分析專用軟件

抗火分析軟件的目的應(yīng)當(dāng)是在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時提前預(yù)知和減少將來可能出現(xiàn)的風(fēng)險，預(yù)測可能出現(xiàn)的火災(zāi)及場景，預(yù)測建筑物的反應(yīng)和救火措施。目前的建筑物抗火軟件遠不能達到該水平。財政部門應(yīng)當(dāng)在資金上支持科研部門，加大科研投入和軟件開發(fā)力度，盡快讓軟件實際運用到建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計中，減少建筑物火災(zāi)造成的危害。

2.6提高混凝土強度

專家通過對高溫下不同混凝土強度等級和不同配筋率下鋼筋混凝土簡支梁抗彎、抗剪承載力的計算和分析，得出結(jié)論：提高混凝土強度能明顯提高混凝圖簡支梁的抗剪性能，但抗彎性能的提高不大；在配筋率的允許范圍內(nèi)增大受力鋼筋面積能顯著增強鋼筋混凝土的極限承載能力。

總之，當(dāng)前對建筑物火災(zāi)的研究取得一定成果的同時，還有更多的難題等待人類去克服。研究投入不足、設(shè)備落后、研究規(guī)模小、內(nèi)容少的問題應(yīng)當(dāng)?shù)玫饺藗兊闹匾?。在該形勢下，國家?yīng)加大投入支持科研，企業(yè)也應(yīng)加大投入，對建筑材料的質(zhì)量進行研究和提高，共同優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能。 [科]

【參考文獻】

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