建筑结构抗火性能研究

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1、建筑结构抗火性能研究【摘要】建筑火灾发展过程是一个复杂的传热、传质、湍流过程,由于燃烧过程不易控制，边界条件较难模拟等原因，使得准确计算出火灾过程中各时刻的温度场还比较困难。在进行结构的抗火性能分析时，较多采用的方法是，假定着火房间内的气体在空间上各点的温度相同，通过开口因子和火荷载密度等参数近似计算出房间内气体的温度-时间曲线。显然，这种方法比较粗糙，与实际情况有一定差别，更准确的基于计算流体动力学等理论的方法正在发展之中。【关键词】建筑结构，火灾，抗火性加拿大、瑞典、挪威、新西兰、澳大利亚、日本等国也对火灾问题进行了广泛研究，并取得了大量成果。在我国

2、，公安部四川消防科学研究所在1972年率先开展建筑构件抗火性能研究，于1973年建立了两座燃烧试验炉，对梁、板、柱、墙、屋面板等的耐火等级进行试验研究。进入20世纪80年代，中国建筑科学研究院、同济大学、清华大学、江苏省建筑科学研究院、西南交通大学等单位対建筑材料的热工性能、建筑构件及结构的耐火性能进行了一系列试验研究及理论分析，推进了火灾研究在屮国的发展。1989年，火灾科学国家重点实验室在中国科学技术大学成立，标志着我国火灾科学研究进入了新的阶段。通过各国科研人员的努力，逐渐形成了火灾科学的基本思想，构筑了火灾科学的框架体系o1985-10,从事火灾

3、科学研究的专家们聚集美国,召开了第一届国际火灾科学大会，宣告“火灾科学”正式诞生。火灾科学主要研究火灾共同规律，如火灾发生、火灾蔓延、烟气运动等，也研究不同种类火灾屮的特殊现象。建筑火灾一般是指危害建筑物本身及建筑物中生命、财产的火灾，是火灾科学的主要研究领域之一。建筑火灾研究包括•火灾探测、烟气运动、人员疏散、灭火技术、防火设计、抗火设计、损失评估等诸多内容，本文仅就与结构抗火设计相关的内容进行回顾，并对今后发展进行展望。结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具冇足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。建筑结构抗火性能研究涉及以下几方面内容

4、：建筑火灾的发展过程；高温下材料的热丁性能、力学性能；火灾时结构的热反应和结构反应；结构抗火分析软件等等。各国学者对建筑结构抗火性能进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。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。随着温度的升高，混凝十的热传导系数逐渐减小，而英它几种因素的影响越来越不明显，Lie等给出了常用混凝土的热传导系数与温度关系的简化公式。混凝上的热膨胀系数与骨料类型等因素

5、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!1!的结果差异较大，Huang对比了Lie、Wood以及Nizamuddin给出的公式，最大差值在2倍以上。相对于混凝土的力学性能來说，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。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屮结构反应的前提。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

6、通过对傅立叶导热微分方程进行数值求解获得构件内的温度分布。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。由于混凝土的导热系数和比热容是温度的函数，且边界条件与环境因素有关，火灾时构件内温度场是一个复杂的非线性瞬态问题。通常在空间域上采用有限单元法、在时间域上采用有限差分法，充分利用两者优点来计算温度场的变化。9?11恐怖袭击以后的调查研究发现，建筑结构中结点的抗火性能对整个结构的影响很大，而结点内的温度分布是三维的，因此，火灾下构件内三维温度场分析已

7、经引起重视。混凝土内水分的运动及蒸发对构件内温度场有一定的影响，但计算混凝土内部的水分运动是十分复杂的，因此，在计算普通混凝土构件内的温度场时，水分的影响通常忽略不计。火灾下普通混凝土出现爆裂的可能性较小，所以，进行普通钢筋混凝土构件内温度场分析时，不考虑应力场对温度场的影响。高性能混凝土在高温作用下，很容易产生爆裂的现象，这将导致钢筋外露，直接受火，降低承载能力。主要原因之一是高性能混凝土非常致密,水分扩散困难，水蒸汽压力过大;另一个主要原因是混凝土中压力过高。James等对高温下混凝土构件内的温度变化、气压变化、水分运动等采用冇限单元法及冇限容积法进

8、行耦合分析，取得了较好的效果，对研究高性能混凝土的抗火性能具有积极意义。提高建筑