建筑结构抗火性能分析

田欣乔　张建顺

【摘 要】如果发生火灾，火灾高温将严重恶化结构材料的性能，结构构建的内力分布也会被重新改变，产生显著的结构变形。结构材料的承载力将会减弱，危机建筑物安全。因此，科学地设计建筑物抗火结构，形成完善的、可靠的抗火设计方案，是学术界和工程界普遍关注的问题。

【关键词】结构；抗火；设计

火灾给人类带来的损失是巨大的，其中，建筑物火灾的发生频率和造成的损失远高于其他形式的火灾。目前，我国的建筑物随着经济的发展也在快速发展，高层、多层、多功能建筑物越来越普及，建筑物内的人口密度也在不断提高，发生火灾时造成的危害也就越大。本文将对建筑物结构抗火性能进行分析和建议。

1.以往的建筑结构抗火性能研究情况

1.1对建筑火灾发展过程的研究

研究建筑火灾发展过程的目的，就是掌握建筑火灾发生的原因和规律，了解火灾发生过程中的气体、温度等的变化，预测未来发生火灾的可能性，从而为科学地设计建筑物抗火结构提供依据。

1.2对高温下建筑材料的受力性能的研究

高温下建筑材料易发生形变，材料的力学性能也会随之发生变化。高温下材料的热工性能和力学性能是人们研究的重要课题。热工性能主要包括比热容、热传导系数、热膨胀系数等。混凝土的骨料类型、温度、水分含量和各材料的混合比都会影响混凝土的热传导性能。混凝土的热传导系数随着温度的升高而下降，其它几种因素的影响也会越来越小。与混凝土的力学性能研究相比，对其热工性能的研究较少，因此在这方面还有很大的研究空间。

1.3对建筑构件内部的温度场的研究

材料的温度与力学性能有密切的关系。研究材料内部各点的温度变化过程能为计算构件及结构在火宅中的反应提供依据。建筑火宅如果发生，释放的热量将会通过热辐射、热对流等传到方式传递到建筑物表层，再通过热传导传递到构件内部。构件内部的温度场会随时间变化，一般可以通过傅立叶热微分方程计算构建内部的温度分布情況。混凝土的导热系数和比热容与温度具有函数关系，且环境因素会影响边界条件，因此火灾发生时构建内部的温度场是非线性瞬态问题。

1.4对建筑结构抗火性能的实验研究

人们已经对梁、柱、板等建筑构件进行过抗火性能测试和研究，并得出了配套的计算公式。Ellingwood等对不同截面形状的钢筋混净土进行试验，考察了混凝土保护层厚度、荷载水平、升温方案等对简支梁耐火性能的影响，并得出了相关结论。台湾交通大学也对混凝土的抗火性能进行了研究，对剥落现象进行了证明。

1.5对相关软件的研究

计算机软件的发展对分析建筑结构的抗火性能具有重要意义。1977年麻省理工学院和伯克利加州大学联合建立了火灾中框架反应的分析软件。该软件经过多次修改和升级，如今已经具备了完善的分析能力。1979年，瑞典国家试验研究院也设计了类似的软件对建筑物火灾情况进行分析，随着不断的完善，目前已运用到试验和教学活动中。近年来我国对钢筋混凝土的分析软件也在不断优化，目前，火灾情况中建筑物的二维温度场、三位温度场和结构的变形、开裂等情况都能通过可视化的技术显示出来。

2.如何提高建筑物抗火性能

通过对以往研究的分析和综合，对建筑物抗火性能的研究将会呈现出研究内容多样化、设备先进化、考虑因素综合化等趋势。笔者结合对现实情况和理论发展的总结和分析，对建筑结构抗火性能的提高提出以下建议：

2.1开发耐火的建筑材料

提高建筑材料自身的耐火性对减轻火灾损失具有事半功倍的作用，同时，可以减少工程支出，加快施工进度。耐火材料的开发是当今一个重要的研究课题。据悉，武汉某钢铁公司在耐火材料的研发上有重要突破，而且其产品已经被运用到国家大剧院的工程建设中。此外，提高混凝土的耐火性也是人们研究的重要课题之一。加拿大国家研究院通过实验证明，添加纤维对防止混凝土爆裂具有显著的作用。

2.2加大实验投入，获取实验数据

当前，有关混凝土在高温和双向受力条件下的本构关系实验数据比较少，而高温和三相受力下的本构关系的实验数据几乎为零。高温条件下建筑材料的热工性能的实验数据也很少，某些关键的数据，如对流换热系数等还是难以确定。因此，提高建筑结构的抗火性能，应当加大科研和实验投入，通过实验获得更多有用的数据，以促进研究的深化和材料的开发。

2.3研究节点的耐火性能

专家通过对世贸大厦5号楼的调查研究，发现结点在火灾中严重受损是造成大楼坍塌的主要原因。当前，结点耐火性能的研究还相当少，结点作为建筑物受力和分散力的重要结构，应当得到研究者的重视，通过对结点耐火性能的研究，设计出更加合理的建筑结构。

2.4开发性能化的抗火设计方法

性能化抗火设计方法，虽然注重确定建筑结构在火灾中应该达到的目标，但对目标实现的手段并无限制。因此，在对建筑结构的抗火性能进行分析时，除应考虑结构本身的抗火性能外，还应考虑建筑物中主动消防设施的影响和消防队员的作用。此外，增强大型设备的投入和实验，突破目前单一实验设备的限制，可以为结构设计方法提供更多便利。

2.5开发抗火分析专用软件

抗火分析软件的目的应当是在进行建筑结构设计时提前预知和减少将来可能出现的风险，预测可能出现的火灾及场景，预测建筑物的反应和救火措施。目前的建筑物抗火软件远不能达到该水平。财政部门应当在资金上支持科研部门，加大科研投入和软件开发力度，尽快让软件实际运用到建筑物结构设计中，减少建筑物火灾造成的危害。

2.6提高混凝土强度

专家通过对高温下不同混凝土强度等级和不同配筋率下钢筋混凝土简支梁抗弯、抗剪承载力的计算和分析，得出结论：提高混凝土强度能明显提高混凝图简支梁的抗剪性能，但抗弯性能的提高不大；在配筋率的允许范围内增大受力钢筋面积能显著增强钢筋混凝土的极限承载能力。

总之，当前对建筑物火灾的研究取得一定成果的同时，还有更多的难题等待人类去克服。研究投入不足、设备落后、研究规模小、内容少的问题应当得到人们的重视。在该形势下，国家应加大投入支持科研，企业也应加大投入，对建筑材料的质量进行研究和提高，共同优化建筑结构的抗火性能。 [科]

【参考文献】

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[3]徐蕾，刘玉彬.钢管混凝土叠合柱耐火性能研究[J].建筑结构学报，2014，35（6）：33-41.