建筑结构抗火设计研究

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1、建筑结构抗火设计研究摘要：阐述了建筑火灾的危害性，揭示目前我国结构抗火设计的缺点，提出基于计算的结构抗火设计方法，并指明了结构抗火设计方法有待进一步研究的问题。　　关键词：建筑火灾;抗火设计;材料性能　　　　1火灾的危害性　　　　我国的火灾次数和损失相当严重，据公安部消防局统计，2000年全国共发生火灾189185起，死亡3021人，伤残4404人，直接财产损失15.22亿元。我国的火灾次数和火灾损失都呈上升趋势，我国未来的火灾形势不容乐观。迅速采取有效措施，抑制火灾上升的势头，已成为党、政府和全国人民普遍关心的问题。　　近几十年来，我国的高层建筑发展非常迅速，建筑结构火灾的问题也

2、日益突出，这些都迫切需要进行结构抗火性能的研究。现代建筑中大部分采用钢筋混凝土结构和钢结构作为承重结构，根据已有的研究成果，钢筋混凝土结构在火灾(高温)下钢材和混凝土的强度、弹性模量等均随温度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、钢材在300度以上，其力学性能严重恶化，高温下材料性能的变化是结构的承载力和耐火极限严重下降的一个主要原因。另外结构受火时受火面温度随周围环境温度迅速升高，但由于混凝土的热惰性，内部温度增长缓慢，截面上形成不均匀温度场，而且温度变化梯度也不均匀，导致不等的温度变形和截面应力重分布，这些变化都足以危及结构的安全性，某些情况下会导致结构失效。　　　　2建筑结构抗

3、火性能研究回顾　　　　结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。　　2.1建筑火灾发展过程研究　　建筑火灾发展过程研究的目的是掌握建筑火灾发展规律，主要了解气体温度变化及烟气运动等规律，从而再现已发生火灾和预测未来火灾的情况，为建筑防火设计和结构抗火设计提供科学依据。　　对建筑火灾发展过程进行实验研究是一种较为直接、可靠的途径。它一方面可以给出供计算用的一些经验、半经验性的模型，另一方面可以为人们从一般原理出发提出的理论和计算模型提供检验手段和可靠依据。1972年，在美国国家科学基金资助下，美国哈佛大学现代火灾科学之父Homons

4、教授与工厂联合研究公司对建筑火灾发展过程进行合作研究，其中进行了两次足尺实体试验。这项研究取得了三方面的重大成果：实验方面，使用了新的仪器和数据处理方法，建立了现代火灾实验标准；理论方面，建立了现在广为知晓的区域火灾模型；数值方面，为哈佛大学的火灾模拟软件提供了可靠的数据支持。　　2.2建筑材料高温下热工性能和力学性能研究　　建筑材料在高温下的热工性能参数以及力学性能参数是研究建筑结构在火灾中反应的基础。材料的热工性能参数包括热传导系数、比热容、质量密度以及热膨胀系数等。影响混凝土热传导系数的因素有骨料类型、水分含量、混凝土的配合比以及温度等。试验表明，随着温度的升高，混凝土的热传导系

5、数逐渐减小，混凝土的热膨胀系数与骨料类型等因素有关，并且还受试件尺寸、加热速度等外部条件影响，不同研究者得出的结果差异较大。相对于混凝土的力学性能来说，混凝土的热工性能研究还较少，但热工性能参数对结构分析结果影响还是比较大的，这方面还有很多工作要做。　　2.3建筑构件内温度场研究　　材料的力学性能与温度密切相关，所以，搞清构件内部各点的温度变化过程是计算构件及结构在火灾中结构反应的前提。发生建筑火灾时，可燃物释放的热量通过热辐射、热对流以及热传导方式传递给建筑构件表面，再通过热传导向构件内部传递。构件内温度场是一个随时间变化的变温度场，一般可通过对傅立叶导热微分方程进行数值求解获得构件

6、内的温度分布。有限单元法是计算构件内温度场的一种理想方法。为了减少计算工作量，目前普遍假设梁、柱等细长构件的温度分布沿轴线方向无变化，把三维温度场问题简化成二维问题。　　　　3合理的结构抗火设计方法　　　　基于计算的结构抗火设计，可以免除传统的基于试验(经验)的结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。　　3.1结构抗火设计要求　　（1）在规定的结构耐火设计极限时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；　　（2）在规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；　　（3）火灾下，当

7、结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的温度为临界温度Td，则Td应不小于在耐火极限时间内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。　　上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。　　3.2基于计算的结构抗火设计方法　　（1）采用确定的防火措施；　　（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；　　（3）采用确定的高温下材料的参数，计算结构中该构件在外荷载的内力；　　（4）由计算