建筑结构抗火研究现状及对相关抗火问题的思考03

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1、建筑结构抗火研究现状及对相关抗火问题的思考黑龙江省建筑结构专家委员会1．火灾的概念、发生频度及目前抗火设计的考虑方法火灾是指失去控制的火在其发展蔓延过程中给人类的生命财产造成损失的一种现象。火灾发生的频度居各种灾害之首，在各类火灾中又以建筑火灾损失最为严重。以2004年为例，我国建筑火灾约发生25万起、死亡约2千6百人、直接经济损失约为17亿元人民币；美国建筑火灾约发生53万起、死亡约3千9百人、直接经济损失约为82亿美元。火灾还是最主要的次生灾害之一，1906年美国旧金山地震引发火灾，大火烧了三天三夜，烧毁520个街区；1923年日本关东地震引

2、发火灾，烧死5.6万人。黑龙江省火灾形势同样严峻，2004年全省约发生建筑火灾1万5千起，死亡1百余人，直接财产损失约为3千5百万元人民币。1998年佳木斯市华联商厦特大火灾造成的直接经济损失约为3千6百万元人民币，2003年哈尔滨市天潭酒店特大火灾造成33人葬身火海。因此，应对我省建筑结构火灾防范工作引起充分重视，在建筑结构设计中进一步增强抗火意识。长期以来，建筑物的防火设计主要是由建筑师来完成的。建筑师根据房屋建筑的重要性、使用功能、层数、长度、面积、火灾危险性、疏散、扑救难度以及其主、被动防火系统的设置等情况确定建筑物的耐火等级。然后根据建

3、筑物的耐火等级确定其构件的耐火极限要求，以保证受灾人员转移和消防队员扑救的时间。我国公安部消防研究所根据抗火试验得到了一些不同类型、型号、防火保护的构件所具备的耐火极限，供设计者选用，据此可完成部分建筑结构的抗火设计。这些抗火试验数据往往只出现在建筑防火规范或防火产品的质量保证书中[1、2]。由于缺乏对结构工程师的具体要求，我国在一般的建筑设计中是不进行结构构件的抗火计算的。然而由于美国“9.11”事件和我国衡阳“11.3”大火等事故中建筑物的坍塌，结构抗火已经越来越受到人们的关注。2．建筑结构抗火研究现状2.1材料的高温力学性能在短期高温（比如

4、火灾）下，一般来说普通混凝土抗压强度，在400℃以内可以近似认为不变，700℃时约为其常温时的40％；建筑中常用的普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40％；预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为其常温时的40％，如图1所示。经历过小于等于500℃高温的普通混凝土在空气中放置一年后其抗压强度基本恢复，经历大于500℃高温后抗压强度比高温下抗压强度要低10～20％[3]；普通钢材所经历的温度在600℃以下力学性能基本恢复；预应力筋用高强钢材所经历的温度在400℃以下时，高温后内力学

5、性能大多可以恢复，经历600℃高温后强度可以恢复至受损前的60％左右。图1高温下材料强度的退化2.2温度场温度在时间域和空间域的分布，称为温度场。火灾下材料的力学性能与温度密切相关，弄清结构构件的温度场是结构抗火分析的前提。火灾时，热量通过辐射、对流的方式传递给结构构件表面，再通过传导向构件内部传递，经过构件背火面又传给另一防火分区。2.2.1建筑火灾的模拟建筑火灾的发展经历包括火灾起始、充分发展、衰灭三个阶段，是一个复杂的燃烧、传热、传质、湍流过程，与可燃物情况、空间特征、通风情况等许多因素有关。对火灾的模拟可分为经验模拟、半经验半物理模拟、物

6、理模拟三类。经验模拟是通过经验公式来模拟火灾温度随时间的变化，物理模拟是以化学流体力学为基础来模拟火灾过程[4、5]。许多学者致力于探寻火灾规律的研究，美国国家建筑与火灾研究实验室根据物理模拟模型和半经验半物理模拟模型分别开发了FDS和CFAST火灾模拟软件。2.2.2标准升温曲线为了使各抗火试验的结果能够进行比较与利用，许多国家和组织都制订了室内火灾标准升温曲线，各曲线相近，我国采用的是国际标准化协会（ISO）给出的标准升温曲线。前文所述的构件耐火极限即是构件抵抗该标准火作用的时间。当比较准确地知道影响火灾的参数值时，也可采用参数化升温曲线模拟

7、火灾，然后通过等效爆火时间的概念，将参数化升温曲线与标准升温曲线联系起来。等效爆火时间为按参数化曲线升温与按标准曲线升温对构件造成的损伤程度相同时的标准升温时间，钢结构可取构件温度相同时的时间。标准升温曲线和参数化升温曲线均属于经验模拟。2.2.3构件内温度场的计算构件内的传导过程是一个非线性瞬态问题，求非稳定温度场主要有四种方法即解析法、数值法、图表法、实测法。一般认为温度场不受应力场的影响，可不考虑受力过程而独立计算。为了简化计算，目前普遍偏于安全地假设构件的温度分布沿长轴方向不变，即简化成无限大平板或无限长梁、柱的一维或二维问题，于是温度场

8、分析均可以以构件截面为研究对象。钢材是热的良导体，轻型钢构件可假定截面上各点温度相同，然后用简化公式来估算有或没有防火保护情况下的温度值