建筑结构抗火设计综述

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问内结构的最高温度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。 ２，结构抗火设计方法 我国现行规范采用耐火试验法进行耐火设计，其 步骤为： （１）据建筑物的重要性、火灾危险性、扑救难度 等选定建筑物的耐火等级； （２）由选定的耐火等级依规范确定构件的耐火 极限； （３）设计构件，用标准耐火试验校准其实有耐火 极限直止满足。 实用中，并不是每次设计都需要进行耐火试验， 《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规 范》附录中已列出了各种构件的耐火极限，只需查对 校准即可。但如果设计的构件与规范所列构件有实质 性差别时，才需进行新的耐火试验。
建筑结构抗火设计综述
元江瑜岳海梅
长治市建筑工程总公司。山西。０４６０００
【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
一、火灾的危害性 改革开放以来，我国经济持续增长，物质文明、 政治文明、精神文明全面发展，各级地方党委、政府 和公安机关高度重视消防安全，消防事业取得长足进 步。同时，我们应清醒地看到，随着工业化、城市化 步伐的加快，引发火灾的因素大量增加，预防和扑救 火灾的难度加大，火灾几率及其危害大幅上升，我国 正面临着～个火灾多发的高风险时期。我国火灾统计 资料表明，２０世纪８０年代以来，我国火灾形势日趋严 峻。火灾发生几率、损失及危害伴随经济快速发展上 升的问题，已经在我国出现。８０年代以来，我国 ＧＤＰ年均增长达到９．５％，城市居民人均收入提高了
【参考文献】
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选定建筑物的耐火等级时应按以下因素： （１）建筑物的重要性。建筑物越重要，人员越 多。失火后影响越大，其耐火等级应高；否则可低。 （２）火灾危险性。建筑物火灾危险性越大，其耐 火等级应高；否则可低。 （３）建筑物高度。建筑物高度越大，火灾中人员 疏散和扑救难度越大，其耐火等级应高；否则可低。 （４）火灾荷载。建筑物内可燃物越多，火灾持续 时间越长，温度越高，其耐火等级应高；否则可低。 四、结构抗火设计的研究方向 尽管目前在结构火灾试验和分析方面已经开展 了一些研究，但对了解和掌握结构火灾反应特性、 提高结构抗火性能、建立结构抗火设计方法方面仍 有许多工作有待完善和进一步开展。主要体现在以 下几个方面： １、材料性能 由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度 影响下，材料力学性能有一定的离散性，必须通过一 定数量的不同材料的试验以确定其基本性能及变化特 征。同时，通过材料性能试验，寻找在高温下性能优 良的材料，以提高结构抗火能力。对目前国内外进行 的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程 序用的材料高温（火灾）性能数据库是火灾材料研究 的一个重点。 ２、热传导及温度场分布 对钢筋保护层厚度、表面防火材料使用的效果进 行研究，以确定提高结构抗火性能的有效途径。 ３、结构火灾下的可靠度分析 采用概率的概念来评估工程结构的安全度（即可 靠度）已被工程界广泛接受，但对结构在火灾下如何 确定其安全度仍有待研究。由于火灾发生的可能性、 火灾的持续时间和峰值强度、发生火灾时结构承受的 荷载等并不确定，以及材料在温度下性能的更趋离散 等因素均会影响结构的耐火性能。因此如何在设计中 对这些因素进行综合考虑，以确定其耐火安全度是今 后面临的一个重大课题。结构火灾下的可靠度分析也 是对现有建筑物进行评估的一个重要方面，对今后房 屋交易、保险等均有重大意义。 ４、火灾后鉴定和修复 由于经济条件限制，我国有相当一部分建筑在设
１７倍。与此同时，全国的火灾损失从８哦初的每年平
均３亿多元，上升到９０年代中期以来的１５亿多元，增加 了约５倍。进入２１世纪的前八年里，我国平均每年发生 火灾达２３万多起，比２０世纪９０年代同期增长了６倍。 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。 二、建筑结构抗火性能研究回顾 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。多年来，世界各国在建筑结构耐火设计研究领 域开展了广阔而深入的研究，取得了巨大成果，注意 集中在以下各方面： ｌ、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Ｈｏｗａｒｄ Ｅｍｍｏｎｓ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
３３（１７１：６２－６５．
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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、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。 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。 ４，钢构件耐火保护方法及保护材料研究 钢构件的耐火保护方法主要有以下几种： （１）隔热法。用耐火材料把构件包裹起来。包裹 材料有混凝土、轻质耐火混凝土或钢丝网膜耐火砂浆 等。其优点是取材方便，价格低廉，表面强度高，耐 冲击，对施工技术要求不高，但比较笨重。 （２）阻热法。原理是截断或阻滞火灾产生的热量 向构件传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过 临界温度。其做法是在构件表面设置一层保温材料， 火灾产生的高温首先传给这些保温材料，再由保温材
料传给构件。由于所选保温材料导热系数均较小，一所 以必然能阻滞热流向构件的传输，起到保护作用。 （３）导热法。就是在空心封闭截面中（主要是 柱）充水，火灾时构件把吸收的热量传给水，依靠水 的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件的温度 可维持在１００％左右。使构架温度不至于升高到临界温 度，从而起到保护作用。这种方法在实际生产中很难 行得通，也不适用于室外钢构架。 （４）喷涂法。用喷涂器具将防火涂料直接喷涂在 构件表面，火灾时能形成耐火保护层。 三、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。 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
计上对防火技术措施未予考虑或考虑不够周密，火灾 后往往造成建筑结构损伤、破坏或倒塌，造成的结构 破坏情况较多。通常火灾后所采取的处理措施是进行 修复加固，但我国在这方面的研究起步较晚，目前尚 无专门的法规。 五、建筑结构耐火设计应解决的主要问题 国外建筑结构耐火设计研究已开展数十年，而我 国才刚刚起步：要采用前述先进的设计方法，还需开 展大量的研究工作。 （１）结构材料在高温下的有关设计参数研究，迄 今为止我国尚未对结构材料的热反映性能开展大规模 系统研究。尽管有些单位从事过一些研究，但由于我 国幅员辽阔，材料变异性非常大，必须进行较大规模 的研究，才能确定用于结构耐火设计的基础数据。 （２）钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同 作用下的破坏机理和承载力计算模能确定与我国常温 结构设计相适应的计算模式。 （３）钢结构防火涂料，板材热性能及构件在给定 临界温度下保护层厚度确定方法的研究。我国虽开发 了不少种类的结构防火涂料，但由于采用标准耐火试 验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热参数随温 升的变化规律以及保护层厚度的计算方法。该研究具 有相当紧迫性。 （４）承重构件所需耐火极限的研究。构件所需要 耐火极限直接关系到耐火设计的成败。只有从构件所 处的实际条件出发规定其耐火极限，设计结果才具有 可靠性和安全性。 （５）火灾荷载分布统计研究。该研究是耐火设计 的基础。国外许久国家都进行过研究，并公布了用于 设计的火灾荷值。我国非常需要符合我国实际的火灾 荷载数值。