复杂结构高层建筑火灾坍塌过程研究

崔铁军， 李莎莎， 王来贵， 马云东

（1．辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，阜新123000；2．大连交通大学 辽宁省隧道与地下结构工程技术研究中心，大连116028；3．辽宁工程技术大学 力学与工程学院，阜新123000）

1 引 言

高层建筑火灾是现代城市发展不可回避的重要问题之一。由于城市发展，核心位置容积率迅速提高，高层建筑在提供办公和居住空间的同时也存在较大风险，特别是来源于各种自然和人为的威胁，火灾就是其中之一。高层建筑火灾不同于中低层建筑，建筑火灾根据影响范围可以分为内部和外部影响，内部影响主要是人员的疏散和财产的保全，外部影响是建筑破坏后对周围环境的影响。这两个方面高层建筑火灾都具有较高风险。高层建筑结构复杂且较高，不利于人员逃生；更为重要的是如果发生火灾坍塌，将对周边造成毁灭性的影响。特别是对于结构复杂的高层建筑，由于其内部结构设计或外形独特，导致其应力应变变化无常，在火灾温度改变结构构件物理力学性质后的坍塌行为难以预料和控制。所以对结构特殊且较高建筑进行不同位置和程度的火灾模拟坍塌研究是有必要的。特别是对于多核心筒，且中部具有空间的建筑而言，火灾中的坍塌过程研究更为必要。

对于高层建筑的非连续破坏研究源于911恐怖袭击。文献［1－5］分别从不同角度讨论了世贸大厦破坏的过程、形式和原因，并进行了一些建筑坍塌的模拟。最终调查发现，导致坍塌的原因在于火灾温场对建筑构件的持续作用导致构件失效。文献［6－8］分别研究了火灾作用下钢筋混凝土平板和框架建筑的结构性能及连续倒塌破坏过程。文献［9－12］讨论了钢结构和钢筋混凝土结构建筑在火灾作用下的性能变化及防火措施，并进行了坍塌破坏模拟。文献［13，14］对建筑结构坍塌过程进行了建模，并对相关技术发展进行了评述。文献［15－22］是对建筑在受到动力荷载后产生的连续或非连续破坏的研究成果。

对于建筑火灾的研究目前主要集中在三个方面，一是人员疏散问题，二是烟气流动问题，三是结构防火问题。但对于建筑因火灾造成的坍塌模拟研究较少。究其原因主要是研究方法和相关理论不足造成的。目前，研究建筑破坏的方法主要有解析法、相似模拟和数值模拟。其中，解析法难以计算复杂的非连续性破坏问题，无法处理非连续性的破坏过程。

崔铁军等对复杂结构建筑的灾变破坏过程已经有了一定研究。主要使用模拟方法，包括连续模拟的FLAC和离散模拟的PFC。本文属于建筑离散破坏系列的研究之一。建筑离散破坏主要解决高层建筑遭受火灾、地震、撞击、爆炸以及风荷等作用后的非连续破坏过程。对于本文研究内容，根据该建筑结构特点和崔铁军等［15－23］对该类问题的研究，使用颗粒流方法构建该建筑并实施火灾模拟。

2 工程背景

模拟建筑对象为中空－四核心筒－框架结构建筑，建筑整体外形尺寸为高216m×长50m×宽50m。中空部分位于建筑中部，高程31m～200m，截面为20m×20m。四核心筒毗邻中空位置，偏向建筑四角处，贯穿于建筑整体，尺寸为216m×10m×10m。其余建筑结构为依托核心筒框架结构。所有承重柱和梁截面为1m×1m。主体结构材料列入表1。

由于主要研究建筑物上部结构，这里对地质条件不做详细介绍。

表1 主体结构材料Tab．1 Main structure materials

3 建筑与火灾模型

模拟使用的软件是PFC3D，构建模型和温场设置均使用了内置的FISH语言进行动态调整，相关技术参见PFC3D用户手册。

3．1 建筑模型建立

图1给出了该建筑的基本结构尺寸，将模型中组成构件的颗粒半径设置为R＝0．5m。这样设置一是为了减少组成建筑所使用颗粒数量，以提高模拟效率和降低硬件要求；二是为了能较好地反映该建筑的结构特点，其11～67层为中空部分层，1～10层和68～72层不存在中空部分层。设置4个核心筒结构贯穿整个建筑。设置核心筒材料是外伸梁材料强度的1．5倍［23］。构成建筑外伸梁柱颗粒性质设置列入表2，这些性质由表1近似计算得到。

表2 基本梁柱颗粒性质Tab．2 Basic unit particle properties

3．2 火灾模拟方法

火灾模拟主要涉及如下几方面，火灾中混凝土结构模型参数的设置与调整，火灾中钢筋模型参数的设置与调整和温场设置及模拟步骤。火灾模拟方法参见文献［22］，考虑篇幅和重复情况，简述如下。

在火灾升温的不同阶段，混凝土的物理力学性质随之发生改变，所以对于建筑火灾模拟要根据不同温度对材料参数进行调整。根据文献［18－21］的研究结果，先确定参数初始值，然后根据温度与参数对应关系对颗粒属性进行调整。混凝土相关参数列入表1，热力学参数的传热系数为4．2，比热容为880J／kg·℃，线性热膨胀率为5．4×10－6。根据文献［18－21］给出的温度与参数关系，可确定参数与温度之间的关系，包括，弹性模量如式（1）所示，混凝土线膨胀系数如式（2）所示，混凝土骨料导热系数如式（3）所示，混凝土比热容如式（4）所示以及峰值抗压强度等。钢筋的力学参数与温度关系有屈服强度、极限强度、屈服应变、自由膨胀应变和极限应变等［22］。

图1 建筑模型的基本结构Fig．1 Basic structure of the building model

根据一般建筑火灾温度，设置火灾温度为1000℃～1600℃。由于涉及参数的温变公式可能不适应1600℃高温，本文进行如下假设，某一参数达到适用温度极限后保持不变；颗粒与强度相关参数根据配筋率加权确定，配筋率参见文献［22］；颗粒的受拉和受剪参数使用钢筋参数，受压参数使用混凝土参数。

火区设置为两种，如图1所示，一是建筑右侧，X＝15m，Y＝50m和Z＝50m，即在建筑右侧，高程为50m～100m，贯穿建筑Y方向；二是贯穿建筑整个横断面，X＝50m，Y＝50m和Z＝50m，即在建筑中部，高程为50m～100m。初始状态在上述火区位置设置均布火源，温度分别为1000℃，1200℃，1400℃和1600℃，模拟开始后热量扩散形成有梯度的温场。

该建筑火灾模拟过程参考文献［22］。

4 模拟结果分析

对单侧火场和双侧火场进行模拟，模拟温度分别设置为1000℃，1200℃，1400℃和1600℃。设置于如图1所示位置后热量开始扩散，导致建筑构件温度升高，力学性能下降，建筑发生破坏。从建筑坍塌结果可以看出，前三个起始设置温度下建筑的坍塌形式类似，只是所需时间不同。所以只给出1000℃和1600℃时的建筑坍塌过程。

4．1 单侧建筑火灾模拟与分析

1000℃，1200℃和1400℃单侧建筑火灾的建筑坍塌形式相同，但所需时间不同，这里只详细论述1000℃时的建筑坍塌过程。表3中火区设置位置周围呈现了不同颜色，这是由于设置火区后在模拟过程中热量扩散造成的，而不同温度设置了不同颜色进行表示。

从表3可以看出，明显的建筑破坏过程出现在75min之后。在这之前，建筑构件劣化及损伤处于累积阶段。主要出现破坏位置为建筑31m变阶处及火区设置位置上部。一般情况下，由于火区设置在右侧核心筒位置，由于该处是承重主体，将首先破坏，使建筑向右整体倾倒，但实际并未发生。其原因在于，左侧两核心筒对建筑的牵引作用，加之左右核心筒之间建筑结构的支撑作用，使建筑整体并未出现向右倾倒的现象。所以在75min时，建筑左侧核心筒由于抵抗建筑向右倾倒，在31m变阶处产生应力集中，使该位置核心筒发生断裂。断裂后，上部核心筒依然完整稳定，与中部连接结构连接完好，确保建筑重心未向右较大偏移。火区设置位置边缘建筑构件温度变化剧烈，使构件局部产生断裂破坏。综上可知，该类型结构建筑在单侧受到火灾后可保持整体坐塌破坏。做为对比，对较为简单的高层建筑结构［22］在一侧施加火场进行模拟，其结果显示在火灾发生的一段时间后，建筑将向一侧倾倒破坏。从控制地面建筑残骸分布范围来看，该类建筑结构优于简单均匀结构建筑。

从75min～105min，建筑处于快速坍塌过程。此时，建筑形成两个贯穿建筑横断面的破坏带，一个是31m变阶处，另一个是火区上部位置。31m变阶处发生坐塌的速度大于火区上部。原因在于31m变阶处形成的贯穿破坏带包括了全部核心和核心筒之间的连接建筑结构，是完全破坏。火区上部破坏带主要为4个核心筒位置，而连接部分相对完好，阻碍了坐塌发生。在此过程中，建筑左侧两核心筒连接部分结构逐渐与这两个核心筒分离，破坏速度减慢，其结构明显高于建筑物，这也说明了其对坐塌的阻碍作用。

表3 单侧火区1000℃时的建筑坍塌过程Table．3 Building collapsed with one side fire area 1000 ℃

从105min～200min，建筑依然发生坐塌破坏，但坐塌原因已发生改变，即失稳破坏。前期坐塌是由于火灾造成的建筑结构破坏所导致。此时火灾发生区域已完全坐塌，之后建筑的坍塌速度降低。该阶段建筑坍塌的主要原因为前期坍塌破坏了建筑基础，不再具有承受建筑重力作用的条件；同时由于前期建筑坐塌使上部建筑具有了一定的向下速度；而且前期坐塌破坏使上部建筑结构整体性降低，构件断裂。基于上述三点，建筑在此期间将继续发生减速坐塌，直至完全破坏。400min时，建筑破坏停止，坐塌结束。地面建筑残骸分布均匀，在建筑位置四周残骸没有明显方向性，这是坐塌的特点，也是保证周围建筑安全的理想坍塌形式。

图4显示了单侧火区1600℃时的建筑坍塌过程，与1000℃时相比，总体相似，但也有一定的区别。火区初始温度设置为1600℃时，建筑的坍塌过程比1000℃时大约提前25min～35min。这是由于初始温度提高加速了建筑构件力学性能的劣化，进而加快了构件损伤累积，导致建筑提前坍塌破坏。建筑坍塌主要形式为坐塌。

50min时建筑开始明显坐塌，坐塌位置为贯穿建筑横断面的31m变阶处和火区上部。此期间与1000℃时70min前阶段相似。但由于初始温度提高，温度扩散区范围明显大于1000℃时的范围。扩大的温度范围使更多建筑构件由于温度变化而破坏。

60min～80min阶段，火区部分右侧核心筒破坏迅速，建筑迅速坐塌。由于右侧核心筒向下快速移动，牵引中部连接结构，连接结构牵引左侧核心筒，左侧核心筒相对完整阻碍了坐塌。受到左右两侧核心筒相对错动的中间连接结构逐渐破坏分离，该阶段坐塌速度最快。

80min～200min阶段，由于火灾原因导致的建筑坍塌结束，该阶段建筑坍塌与1000℃时105min～200min的建筑坍塌原因相同。最终坍塌停止时的残骸分布与1000℃时相似。

总结单侧火区建筑的坍塌特点，建筑整体为坐塌破坏，这与建筑特殊结构有关；主要坐塌位置为31m高变阶位置和火区上部两处；前期坍塌由于火灾，后期由于结构破坏失稳坍塌；该类型建筑有利于火灾坍塌后残骸分布范围控制。

4．2 双侧建筑火灾模拟与分析

该类建筑结构的双侧火区建筑坍塌过程比单侧简单。因为该类建筑是中心对称结构，贯穿于建筑横断面的火区设置使建筑左右破坏对称。

表5和表6分别给出了该建筑1000℃和1600℃时双侧火区设置后的建筑坍塌过程。相比于单侧火区建筑的坍塌过程，分别加快了7min～30min和10min～20min。7min和10min对应于明显坍塌开始时间；30min和20min对应于因火灾造成的建筑坍塌时间。建筑破坏时间提前明显与火区设置有关，火区越大，坍塌越快。坍塌过程的明显不同在于双侧火区建筑坍塌时上部建筑整体性较强，即不会出现左右两侧核心筒的相对错动，所以两侧核心筒和连接结构是相对完整的。这影响了后期建筑坍塌的速度和形式，如前述建筑因火灾坍塌停止后继续坐塌，坐塌原因有三个，其中之一是上部建筑结构破坏所致。因为双侧火区上部结构完整，不利于坐塌发展。另外，因火灾坍塌速度也由于上部建构完好而降低。所以200min时，建筑的剩余高度和完整性均高于单侧火区坍塌结果。单侧和双侧建筑坍塌残骸分布相似，没有明显区别。

表4 单侧火区1600℃时的建筑坍塌过程Tab．4 Building collapsed with one side fire area 1600℃

表6 双侧火区1600℃时的建筑坍塌过程Tab．6 Building collapsed with two side fire areas 1600 ℃

该类建筑结构遇火灾的坍塌特点为，与一般结构建筑相比，当单侧建筑受火灾时，该类建筑可能保持坐塌，而一般结构建筑将发生倾倒。双侧火区与单侧相比，建筑开始明显坍塌时间较快，建筑因火灾坍塌阶段时间较短，后期建筑失稳坐塌破坏较慢。不同温度下的坍塌对比结果为，1000℃时破坏发展对应时间均晚于1600℃时的破坏发展，1200℃和1400℃火灾时建筑破坏发展时间是上述两温度对应时间的线型插值。

5 结 论

（1）使用颗粒流模拟建筑并实施了火灾模拟。通过模拟结果可知，该类多核心筒中空建筑，在一侧受火灾作用坍塌情况下，较结构简单的高层建筑更易出现坐塌破坏。坐塌破坏使建筑残骸在地面分布较小，所以该类建筑更有利于火灾坍塌灾害控制。

（2）总结了该类建筑火灾坍塌特点。单侧火区建筑的坍塌特点有，建筑整体为坐塌破坏，这与建筑特殊结构有关；主要坐塌位置为两处，31m高变阶位置和火区上部；前期坍塌由于火灾，后期由于结构破坏失稳坍塌。双侧火区与单侧相比，建筑开始明显坍塌时间较快，建筑因火灾坍塌阶段时间较短，后期建筑失稳坐塌破坏较慢。1000℃时破坏发展对应时间均晚于1600℃的情况。