建筑结构防火研究的现状与发展.doc

建筑结构防火研究的现状与发展徐赵东，程文瀼，韩金生，李爱群（东南大学土木学院 教育部混凝土及预应力混凝土重点实验室，南京 210096）摘要：随着高层建筑的增多和城市人口的密集化，火灾是人类所面临的一重要灾害。为了保障人民的生命和国家经济财产的安全，必须加强建筑结构的防火研究。建筑结构的防火研究包括对建筑材料、建筑构件及建筑结构耐火性能的理论分析和试验研究。为使科研人员和工程技术人员对建筑结构防火研究有更多的了解，本文对建筑结构的防火研究概况、耐火分析理论以及该领域一些亟待解决的问题进行了系统全面的阐述。结构或构件温度场的确定及全过程分析、预应力混凝土结构的耐火性能等一系列相关问题应是建筑结构防火研究领域着重研究的课题。关键词：防火；耐火性能；混凝土；钢结构中图分类号：TU398 文献标识码：A Actuality and development on fire resistance analysis of structureXu Zhaodong Cheng Wenrang Han Jinsheng Li Aiqun(Civil Engineering College, Southeast University PC&RC Key Laboratory of Education Ministry, Nanjing 210096, China)Abstract: With the development of high-rise buildings and population, fire becomes one of important disasters to the man. In order to ensure lives of people and national economic possession, it should be emphasized on fire resistance research of structure, including analytical and experimental study on construction materials, members and structures. For the sake that researchers and engineers have more knowledge of structural fire resistance, this paper sets forth the actuality, the fire resistance theories and some urgent problems completely. Some problems, such as determination of temperature field and whole process analysis of members and structures, fire resistance of prestressed concrete structure, should be important topics in the research field of structural fire resistance.Key words: fire resistance; fire behavior; concrete; steel structure东南大学优秀青年教师基金项目建筑结构的灾害一般指五大灾害，即地震、火灾、风灾、水灾和战争灾害，历史现实表明，这五大灾害造成的经济损失呈上升趋势。在五大灾害中又以地震和火灾带来的损失为最大。地震虽然发生概率小，但其能量大，破坏性极强，中国唐山大地震及日本的阪神地震明显地证明了这点。火灾虽然属于点现象，但是由于其发生概率大，频度高，损失累计是非常大的。在现代社会的条件下，一次火灾死亡达几百人不为鲜见，已引起了各级政府的高度重视。目前在我国设计院完成设计后一定要经过消防审查，方可进行施工，这种专项审查足见建筑防火在建筑设计和研究中的重要地位。为使科研人员和工程技术人员对建筑结构防火研究有一个系统全面的认识，本文对建筑结构的防火研究概况、耐火分析理论以及该领域一些亟待解决的问题进行了阐述。1 建筑结构防火研究概况多年来，世界各国在结构耐火设计领域开展了广泛而深入的研究，其主要内容集中在以下几个方面：（1）高温下材料本构关系的研究，比如：钢材和混凝土在高温下的强度、弹性模量及受火全过程曲线等；（2）高温下材料热工性能的研究，比如：高温下材料的导热系数、比热、容重及热膨胀系数等；（3）构件和结构温度场的计算；（4）构件和结构的耐火极限及全过程分析；（5）结构的耐火保护研究；（6）结构耐火试验方法研究；（7）结构的耐火理论研究及相应的标准；（8）火灾后构件和结构的评估与维修。经过科研人员的不懈努力，在建筑结构的防火研究方面取得了许多可喜的成果。50年代，前苏联首先颁发了y-151-56/MCIIMII耐热钢筋混凝土的设计暂行指示之后，美国消防协会（1962）、FIP/CEB(1979)、瑞典（1983）、法国（1984）相继颁发了钢筋混凝土抗火的设计标准。我国在结构耐火方面的研究起步较晚，70年代，我国冶金工业部建筑研究总院等单位编制了冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规程，该规程给出了60-2000C范围内的设计计算方法、设计措施材料指标等有关规定。80年代中期开始，为了制定科学合理的建筑结构抗火设计规范，清华大学、同济大学等单位对钢筋混凝土结构的高温材料模型、构件和结构在高温下的反应以及火灾后评估修复等问题进行了研究，取得了较为丰富的成果1。近几年来，随着高层建筑的增多和城市人口的密集化，对结构的抗火研究进入了新阶段。尤以对钢结构的防火研究得较多，主要集中于对钢结构的防火设计、钢结构的耐火性能研究、钢结构防火涂料及防火保护层的研究，如重庆大学的施丽彦、公安部四川消防科研所的钱建民、中国科学技术大学的时虎、同济大学的李国强、东南大学的范圣刚、西安建筑科技大学的张树平、于安林、公安部上海消防科研所的边福利、中国建筑科学研究院建筑防火研究所的朱春玲、黄琦、王有为等。然而，对其它结构的防火研究相对较少。哈尔滨工业大学的钟善桐、韩林海、查晓新、冯九斌等对钢管混凝土柱和钢-混凝土组合楼板的耐火性能进行了试验和理论研究；清华大学的杨建平、时旭东、过镇海对两种升温加载途径下钢筋混凝土压弯构件的受力性能进行了理论和试验研究；东南大学张大长、吕志涛对混凝土、钢筋和预应力钢筋的高温性能进行了分析研究；北京市建筑设计研究院陈一欧等对压型钢板组合楼板进行了耐火试验研究；同济大学的陆伟民、金桓康对高层钢筋混凝土结构的防火设计进行了研究；同济大学的肖建庄、李杰对3榀矿渣高性能混凝土剪力墙进行了火灾试验研究；青岛建筑工程学院的董毓利对钢筋混凝土构件的耐火分析、火灾后混凝土结构的评估与维修进行了研究；沈阳建筑工程学院的刘永军、李宏男对糟受火灾的钢筋混凝土构件的温度场随时间的变化关系进行了分析，并编制了相关软件；中国人民武装警察部队学院的屈立军对钢筋混凝土十字形轴压柱的耐火性能进行了数值模拟研究；哈尔滨工业大学的贺军利对钢筋混凝土简支梁的耐火计算方法进行了研究；大连理工大学的孙洪梅、王立久对高铝水泥耐火混凝土火灾高温后的强度及耐久性进行了试验研究；公安部四川消防科研所的何世家、毛朝君，中国科学院的张泽江，北京理工大学的张龙对新型的防火涂料进行了研究；浙江工业大学的吴耀臣对耐火混凝土的性能进行了初步研究2-9。 在所有建筑结构的防火中，钢结构的防火是最为重要的，与砌体结构和钢筋混凝土结构不同的是钢结构本身不是耐火构件，不加保护的钢结构构件的耐火极限仅为1020min。国内外对钢结构的防火研究和设计是最早的、最多的，也是最为成熟的，我国正处于钢结构建筑的发展期，针对钢结构建筑的各种设计规范和要求仅是关于一些简单的钢梁和钢柱，没有完整的、针对现代钢结构形式的规范，这方面国内远落后于国外。对于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的防火研究刚刚起步，研究的相对较少。随着高层建筑的增多，以及混凝土结构的广泛使用，对这类结构的防火研究是非常重要的。尤其是对于预应力结构和高强混凝土结构，因为火灾对这两种结构影响更为明显，高温会导致混凝土和钢筋之间粘结力的破坏、预应力的损失、高性能混凝土的崩裂。2 防火分析理论 建筑结构的耐火极限可以通过标准耐火试验来确定，但耐火试验不仅费钱费时，而且不易模拟火灾的不同受火条件。近年来用数值方法来分析结构或构件的防火承载力得到了广泛的重视。建筑结构或构件的耐火极限分析包括结构或构件在火灾作用下温度场的数学模拟以及结构或构件破坏前的力学性能全过程分析。目前所采用的耐火极限分析方法主要如下：2.1 经验公式一些研究人员通过对建筑结构或构件进行耐火性能试验，并对试验结果进行分析和研究，提出了许多经验公式和半经验公式。对于水平或垂直的板状构件，如楼板、墙等，其耐火极限可由下式确定9 （1）式中，为建筑构件的耐火极限，为建筑构件的厚度，为建筑构件的热扩散系数，、和分别表示标准参考构件的相应量。对于混凝土保护的钢柱，认为当柱中钢组件的温度达到5380C时构件破坏，可用下面的半经验公式确定9 （2）式中，是核心钢柱截面面积，是被加热核心的周长，是核心钢柱每单位长度的热量，是导热率，是密度，是比热，下标代表与核心钢柱有关，下标代表与保护层的维护材料有关，和表示与截面形状相关的尺寸。通过经验公式计算结构或构件的耐火极限比较简单，但当构件的尺寸或材料发生变化时，用统一的公式来模拟是很困难的，对不同类型的构件进行火灾试验显然是不可能的。2.2 热传导方程解析法在火灾作用下建筑结构或构件的热传导方程可以写为 （3）式中，、和是热流矢量分量，是单位体积内增加的热量，为质量密度，为比热，为温度，为时间。根据热传导方程和受火边界条件可以求解出构件内温度场的分布，再根据材料的性能求解构件的火灾反应。该方法并非对任何情况可求解解析解，一般需满足三个条件：（1）固体几何形状比较简单；（2）材料性能不变，其物性系数是常数；（3）边界条件不太复杂。其中后两个条件决定了这种方法不能应用于建筑构件的火灾分析，但这种方法仍然可以对建筑构件的火灾行为进行简单快捷地认识或拓展试验资料。2.3 有限差分法有限差分法将研究对象在空间和时间上离散化，单元的节点可以视为代表该单元温度和材料性能的点，构件的温度历史便一步一步地遵从体积单元的温度史。有限差分法在计算建筑构件的温度史方面得到了广泛的应用，如Harmathy (1978)、Lie (1989)和Sultan(1991)等都曾成功地使用过该方法9，但在处理封闭空洞构件或截面形状复杂的构件时遇到了很多困难。2.4 有限元法有限元法是应用得最多的一种数值计算方法。将方程（3）写成平面温度场的变分形式，再引入边界条件，在每一个局部单元中进行变分计算，最后再合成为整体的线性方程组求解。有限元法可以具有任意布置的结点和网格，对复杂区域或边界问题的求解具有很大的适应性和灵活性，但编制程序较为烦杂，精确地对温度场进行模拟并进行有限元分析有待于进一步加强研究。3 建筑结构防火研究的发展趋势随着对结构抗火认识的深入，科研人员和设计人员对结构的防火研究越来越多，也取得了许多可喜的成果，但在很多方面仍然处于初步阶段，有待进一步加强研究。（1）高温下材料本构关系的研究，比如：钢材和混凝土在高温下的强度、弹性模量及受火全过程曲线等；（2）高温下材料热工性能的研究，比如：高温下材料的导热系数、比热、容重及热膨胀系数等；（3）构件和结构温度场的计算，比如：不同受力状态下的梁、柱、剪力墙等的温度场模拟与分析，不同配筋、不同保护层厚度、不同的防火措施、不同构造、不同材料成分、不同受火条件下的梁、板、柱等构件的温度场模拟与分析，不同通风状况、不同受火条件下各种结构的火扩散预测、温度场分布等分析；（4）研究不同温度场、不同应力重分布时预应力混凝土构件中预应力的损失分析及对整个构件承载力的影响；（5）研究不同受火条件、不同影响因素对高性能混凝土的影响；（6）构件和结构的耐火极限及全过程分析，比如：不同受力状态、不同配筋、不同保护层厚度、不同的防火措施、不同构造、不同材料成分、不同受火条件对结构或构件耐火极限的影响分析，各种结构或构件的耐火极限的数学模型研究，各种结构或构件火灾反应的全过程分析，包括有限元法、简便分析法以及各种新的分析方法的探讨与研究；（7）目前国内结构或构件的耐火性能试验非常少，一是火灾实验室较少，二是结构耐火试验方法需要进一步加强研究；（8）结构耐火理论的研究及相应防火规范和标准的制订； （9）火灾后构件和结构的评估与维修，包括构件的损伤检测和测试、构件的承载力测试与评估、构件和结构的破坏程度评估、构件和结构的加固与维修；（10）结构或构件的耐火保护研究，如何提高结构或构件的耐火性能，如开发和研究新的防火涂料、新的防火板材、新的耐火水泥、新的耐火混凝土等。参 考 文 献 （References）1 毛小勇，韩林海. 压型钢板混凝土组合板抗火研究的现状和特点，哈尔滨建筑大学学报，34(2): 27-31, 20012 查晓雄，钟善桐. 钢筋混凝土受压构件防火性能的非线性分析，哈尔滨工业大学学报，34(3): 289-294, 20023 韩林海，徐蕾，冯九斌，杨有福. 钢管混凝土柱耐火极限和防火设计实用方法研究，土木工程学报，35(6): 6-13, 20024 冯九斌，刘雪雁. 钢管混凝土柱温度场的