火灾下钢筋混凝土结构内部温度场分析与研究

李秋明　于俊鹏　马颖慧

（华北理工大学 建筑工程学院，河北　唐山　063009）

火灾下钢筋混凝土结构内部温度场分析与研究

李秋明于俊鹏马颖慧

（华北理工大学 建筑工程学院，河北唐山063009）

阅读了钢筋混凝土抗火方面的大量文献，简要归纳了钢筋混凝土抗火研究的内部温度场、高温力学性能、构件及结构抗火性能等方面的研究成果。主要介绍了火灾下的国际标准温度-时间曲线，并总结了一般的求解温度场问题的各类方法；提出了一些问题，包括标准温度-时间曲线很难符合构件实际火灾条件；今后重要的研究方向在于开展计算机模拟抗火研究，并开发有效的抗火性能数值模拟软件。

火灾；钢筋混凝土；温度场

纵观当今国内外研究进展，针对建筑火灾的研究现状主要包含实际火灾发展以及升温曲线研究、火灾烟气蔓延研究以及建筑物火灾计算机模拟研究三项内容。这三项研究内容的目的都是为了掌握建筑物受火高温情况下的变化规律，主要为了解气体温度变化以及烟雾运动规律，进而展现火灾发生与预测火灾未来情况，其目的是为结构抗火设计以及建筑防火设计提供充分的科学依据。

国外的主要著名研究所有1947年英国科学家建立的火灾研究所（FRS），此外还有美国的美国的NIST研究所、日本的建设省建筑研究院以及加拿大国家研究院。相比之下，国内起步较晚，1989年我国科学家在中国科学技术大学建立了国家火灾重点实验室，由范维澄院士带领课题组对火灾发展过程进行系统的研究，其研究内容涉及到单室火灾、多室火灾以及大空间火灾模拟、烟气运动等实验模拟。

1　温度-时间曲线

火灾的发生被分为三个过程：期初阶段、发展阶段以及熄灭阶段。其中由于在发展阶段高温持续最长，因此发展阶段对结构的抗火性能起到了决定性作用。

在实际火场中，温度—时间变化关系将直接影响着结构内部温度场变化，针对火场温度变化影响因素，结合研究［1］可知主要具有三个影响因素：其一为室内火灾性质、数量以及分布；其二为房间面积、形状以及通风情况；其三为建筑材料的热工性能。

建筑在设计时刻无法预知室内可燃物状况，这就会导致火场温度—时间变化曲线存在较大随机性。所以为同一其结构抗火性能，进而建立一个客观准确的评价尺度，国际标准组织（ISO）经过严密的科学试验给出了一条理想化的理论试验曲线被统称为标准时间—温度曲线。

因为标准火场温度—时间曲线很难作为所有结构在实际火灾中的高温工作情况，因此受火条件需趋于采取用计算预测得出的失火分区平均温度—时间曲线，代替标准升温曲线。随着性能化结构抗火设计的提出，标准升温曲线已不能满足要求，且标准温度—时间曲线很难作为所有构建受火条件下的实际火灾工作条件，然而通过计算机模拟预测得到的火灾高温区域火场高温—时间曲线可以很好的反应规律，从而可以作为结构温度场的分析依据［2-4］。

2　求解温度场问题的一般方法

在当今研究水平下，钢筋混凝土截面温度场的计算精度主要采用如下四种方法［5-6］：其一为结合有限元法以及差分法，采用MATLAB软件进行计算机编程进而来进行数值分析；其二将研究结构简化为稳态情况下的一维或者二维问题，进行解析；其三为结合现有相关设计规范所提供的温度场图表以及数据；其四为制作足尺试件进行高温试验，然后加以实测。

在实际受火高温条件下，钢筋混凝土边界温度条件以及混凝土导热参数、质量密度以及热熔等热工性能参数都会随着时间的变化而变化，因此截面热传导问题也是一个非线性的瞬态问题，结合相关规范资料可知，其控制方程为非线性抛物线偏微分方程。主要存在的数值解法为：时间域差法—空间域差法、空间域有限元—时间域差法以及时间域有限元—空间域有限元法等。

3　开展计算机模拟火灾试验

计算机技术的迅速发展，使得应用计算机仿真试验模拟结构火灾的技术得以实现。火灾的计算机模拟是在大量火灾试验基础上发展起来的。经查阅大量相关资料可知目前国际上共有18种火灾模拟计算模型，主要可以进行火灾发生环境、烟气的运动方式、火灾持续时间等方面的预测。这些火灾模拟计算模型可以归纳为场模型和区域模型两种。此外，中国科学技术大学最近提出了一种新的场-区-网耦合模型。

计算机模拟火灾试验包括预测火灾发生及发展的全过程、构件的结构力学响应非线性分析以及构件内部温度与热反应分析、然而火灾模拟实验需涉及到工程结构、火灾科学以及计算机学科知识体系。在当下我国乃至国外先进水平范围内都没有通过软件能实现最真实的火灾模拟实验。因此今后应该围绕此类型软件的开发和完善进行设计和研究。

4　结语

钢筋混凝土结构现在普遍在各种工程技术方面展开了应用。火灾导致的高温情况将会影响钢筋混凝土结构的强度、刚度等各方面条件。由于对钢筋混凝土结构的抗火性能进行试验非常复杂并且造价很大，所以，根据各类试验结果进行分析计算，以进一步研究数值分析软件是当今研究钢筋混凝土抗火性能的重要趋势。

钢筋混凝土构件结构抗火研究总趋势为：利用各类构件在荷载和温度共同作用下破坏机理，建立构件的火灾下分析模型，使用计算机数值模拟研究。

［1］ 张怀章，杨秀萍，赫淑英.压型钢板—混凝土组合楼板温度场有限元模拟［J］.天津理工大学学报，2006，22（4）:13-15.

［2］ 段文玺.建筑结构的火灾分析和处理（一）［J］.工业建筑，1985（7）:50.

［3］ 陆洲导，徐兆珲.火灾下钢骨混凝土柱温度场分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2004，32（9）:1122 -1125.

［4］ 陈礼刚，胡文福，孙庆德.火灾下钢筋混凝土板温度场分析［J］.火灾科学，2004，13（4）:241-245.

［5］ 李丽，胡海涛.钢筋混凝土结构高温性能研究综述［J］.青岛建筑工程学院学报，2004，25（3）:33-38.

［6］ 李昀晖.钢筋混凝土梁高温极限承载力计算及抗火设计方法研究［D］.中南大学硕士学位论文.2007.

TU375

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1003-5168（2015）11-106-01