建筑结构的耐火特性和建筑防火和抗火设计

3.高层建筑物的防火间距
防火分区与防火分隔物设计
当建筑物占地面积或建筑面积过大时，如发生火灾，火场面 积可能蔓延过大。所以，应把整个建筑物用防火分隔物进行分区， 使之成为面积较小的若干个防火单元。如果某一分区失火，防火 分隔物将阻滞火势不会蔓延到相邻分区，控制了火势发展，减小 了成灾面积，即可减少损失，又能便于扑救。 用于划分防火分区的分隔物，在平面上重要依靠防火墙，也 可利用防火水幕带或防火卷帘加水幕，在竖向则依靠耐火楼板(主 要是钢筋混凝土楼板)。
影响构件耐火极限的因素及提高耐火极限的措施
1．影响构件耐火极限的因素
(1) 完整性。根据试验结果，凡易发生爆裂、局部破坏穿洞，构件 接缝等都可能影响构件的完整性。 (2) 绝热性。影响构件绝热性的因素主要有两个：材料的导温系数 和构件厚度。材料导温系数越大，热量越易于传到背火面，所以绝 热性差；反之则好。当构件厚度较大时，背火面达到某一温度的时 间则长，故其绝热性好。 (3) 稳定性。凡影响构件高温承载力的因素都影响构件的稳定性。
1) 混凝土的高温性能 经凝结硬化的混凝土是非均质材料，其结构组成为水泥石、骨 料、水分，并有空隙和微裂缝。在高温作用下，混凝土逐渐脱水， 水泥石和骨料的变形有差异等原因，导致其物理力学性能如弹性模 量、抗拉和抗压强度会发生变化。
①高温对混凝土弹性模量的影响。 室内温度小于50℃时，混凝土的弹性模量基本没有变化，然 后随着温度的上升，混凝土的弹性模量逐渐降低，当达到800℃ 时，混凝土的弹性模量将只有常温时的5％左右。而火灾温度常常 高于800℃，这时由于混凝土结构弹性模量的急剧下降，可能导 致结构丧失整体稳定性并继而引起垮塌。 ②高温对混凝土强度的影响。
3）木材的高温性能 木材的明显缺点是容易燃烧，在火灾高温下的性能主要表现为 燃烧性能和发烟性能。 木材受热温度超过100℃以后，发生热分解，分解的产物有可 燃性气体和不燃性气体。在温度达到260℃左右，热分解进行的很 剧烈，如遇明火，便会被引燃。因此，在防火方面，将260℃作为 木材起火的危险温度。在加热温度达到400～460℃时，即使没有 火源，木材也会自行着火。 木材的燃烧可分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。有焰燃烧是 木材所产生的可燃性气体着火燃烧，形成可见的火焰，因而是火势 蔓延的主要原因。无焰燃烧是木材热分解完后形成的木炭的燃烧， 它助长火焰燃烧的持久性，会导致火势持久。
防火分区的划分，主要考虑消防队的灭火实力、火实危险性 类别、建筑物耐火等级、层数及是否装有消防设施等因素。
避难层或避难通道设计
高层建筑中避难层的设置： 避难层：超高层建筑中供发生火灾是人员临时避难使用的楼 层。 (1) 设置避难层的数量，自高层建筑底层至第一个避难层或两个 避难层之间，不易超过15层。 (2) 避难层净面积应能满足避难人员避难要求，宜按5人/㎡计算。 (3) 通风通道和其他竖向管井等通过避难层的缝隙，必须严密填 塞。 (4) 避难层必须设置消火栓和自动喷水灭火系统。 (5) 应设有专用电话和火灾应急照明，其供电时间不应小于1h， 并不小于正常照度的50％。
在火作用下，混凝土的抗压强度在稳定达300℃作用时开始 下降，但温度升至600℃时，将降为常温下抗压强度的45％，而 到1000℃。则几乎完全丧失。
2) 钢材在高温下的力学性能 ①钢材在高温下的弹性模量和泊松比。 钢材的弹性模量E和泊松比 是结构性状变化的敏感参数。钢材 的弹性模量随温度升高而降低，具体表现为：在0～600℃范围内， 弹性模量随温度升高而逐渐降低；当超过600℃后，其随温度升高 而显著下降。 ②钢结构在高温作用下的特点。
2．建筑构件的高温性能
国内学者研究发现，荷载位置及大小、构件和结构受火部位、 构件表面最高温度、火灾持续时间、混凝土类型、构件截面尺寸 与配筋率、构件保护层厚度等因素是影响高温下与高温后钢筋混 凝土构件和结构力学性能的主要因素。
建筑的防火设计
建筑物的平面布局与防火间距
1．建筑物平面布置基本要求
(1)在同一建筑物内，生产中使用或产生甲、乙类火灾危险性物质的 车间，应设在单层产房靠外墙处。 (2)生产甲、乙类火灾危险性物质车间内不应设办公室、休息室等。 (3)生产甲、乙类火灾危险性物质车间不应设置在建筑物的地下室或 半地下室内。 (4)锅炉房和油浸变压器室，不应设置在聚集人多的地方。 (5)防火堤内贮罐设置不宜超过两行。沸溢性与非沸溢性油罐、地下 贮罐与地上、半地下贮罐，不应布置在同一防火堤范围内。 (6)数个液化石油气贮罐的总容积超过2500立方米时，应分组布置。
非燃性建筑材料：在空气中受到火烧或高温作用时不起火、不燃 烧、不碳化，如花岗岩、大理石、水泥制品、混凝土制品、石膏 板、石灰制品、玻璃、陶瓷、钢材、铝合金制品等。
难燃性建筑材料：在空气中受到火烧或高温作用时难起火、难于 碳化，当火源移走后，燃烧或微燃性立即停止，如纸面石膏板、 水泥刨花板，难燃木材等。 可燃性建筑材料：在空气中受到火或高温作用时，立即起火或微 燃，并且离开火源后仍能继续燃烧或微燃，如天然木材、木制人 造板、竹材、木地板、聚乙烯塑料制品等。 易燃性建筑材料：在空气中受到火或高温作用时，立即起火，且 火焰传播速度很快，如有机玻璃、泡沫塑料等。
3）钢筋混凝土
由于钢筋和混凝土之间的粘接力使它们共同受力，粘结力是 由混凝土硬化时握固钢筋产生摩擦力，表面粗糙产生的机械咬合 力以及胶合力所组成。 对于一面受火的钢筋混凝土，温度升高时由荷载引起的钢筋 蠕变加大，350℃以上更为明显。混凝土的水泥石由微裂缝逐渐 扩展，到600℃以后混凝土的抗拉强度为0，钢筋的粘结强度也几 乎丧失殆尽。
(5) 在构件表面涂覆防火涂料。 (6) 进行合理的耐火构造设计。
建筑的耐火等级
在建筑结构体系中，一般楼板直接承受有效荷载，受火影响比 较大，因此建筑耐火等级的评判是以楼板为基准，结合火灾的实 际情况作出规定。 现浇钢筋混凝土整体楼板耐火极限达1.5h，为一级耐火等级， 普通钢筋混凝土空心板耐火极限达1h为二级耐火等级；三级耐火 等级的为0.5h。
2. 建筑物防火间距
建筑物的防火间距是指某栋给定建筑物到周围其他建筑物或 铁路、公路干线之间的防火安全距离。防火间距反映了建筑物与 周围外部环境在防火方面的布局要求。其目的为： (1)当某栋建筑物失火后，其热辐射不会使处于防火间距以外的相 邻建筑物燃烧起火，导致“火烧连营”； (2)通过铁路、公路的车辆及人员可能携带的火源不致引燃处于防 火间距以外的仓库、可燃材料堆场、储罐等； (3)易燃、易爆物品库、厂库发生爆炸，其冲击波不致使过往车辆、 人员及建筑物受灾； (4)发生火灾时，便于消防车低近扑救。确定防火间距、主要考虑 建筑物的重要性、火灾危险性大小、耐火等级以及可能引起的火 灾损失等。
建筑材料的种类很多，为了便于研究其高温性能，做如下分类：
有机材料都具有可燃性。由于有机材料在300℃以前会发生 碳化、燃烧、熔融等变化，因此在热稳定性方面一般比无机材 料差。
特点：质量轻，隔热性好，耐热应力作用，不易发生裂缝和 爆裂等。建筑材料中常用的有机材料有木材、塑料、胶合板、 纤维板、木屑板等。 无机材料一般都是非燃性材料。在高温性能方面存在的问题 是导热、变形、爆裂、强度降低、阻止松懈等，这些问题往往 是由于高温时的热膨胀收缩不一样造成的。
钢材遇火虽不燃烧，也不向火源提供燃料，但是钢材受火作用 后会迅速变软，继而造成钢结构垮塌。当温度超过600℃后，钢材 强度迅速降低，挠度增加很快，当受火时间超过15～20min后，钢 构件就像“煮面条”一样逐渐软化，并随着局部构件的破坏使结构 整体失去稳定而破坏，而且钢结构破坏后难以修复。
例子： 以“9.11”事件为例，世界贸易中心大厦受飞机撞击后引发的 大火，飞机燃油的燃烧使大楼承重主体的钢结构温度迅速上升， 火灾进一步削弱了受撞击部位承重构件的强度，使得上部结构很 快塌落，并使下部结构在高温和冲击荷载作用下发生连锁倒塌。 可见，未作防火保护处理的钢结构是不耐火的。
一般依据建筑构件耐火极限判定建筑的耐火等级。 一级耐火等级建筑采用钢筋混凝土结构或砖混结构。 二级耐火等级建筑其构件耐火极限稍低，允许采用未加防火 保护的钢屋架。 三级耐火等级建筑砖墙及钢筋混凝土承重体系，木屋架屋顶。 四级耐火等级建筑采用木屋顶，燃烧体墙柱承重。
建筑材料和构件的高温性能
1．建筑材料的高温性能
※ 高强钢丝：无明显屈服极限的硬钢。
可见冷加工钢筋和高强钢丝耐火性能更差。另外，钢材在温 度和应力作用下，随时间推移会发生缓慢塑性变形——蠕变。普 通低碳钢蠕变温度为300～350℃，合金钢为400～450℃。 为了提高钢结构的耐火性能，常采用隔热材料(钢丝网抹灰、 保温砖、隔热混凝土、导热液体)进行包封、散热，或喷涂防火 涂料等，以形成防火保护层。 2）混凝土 混凝土的骨料决定它的耐火性能。花岗岩骨料混凝土在550℃ 破裂，石灰石骨料混凝土可达700℃。混凝土热容量大，导热系数 小，升温慢，是较好的耐火材料。
常用材料的燃烧性能
1. 无机材料
1）钢材 钢材属于不燃性材料。在火灾条件下没有防火保护层面的钢 结构往往在十几分钟内发生倒塌破坏。因为在300～400℃时， 钢的抗拉强度很快下降，到600℃左右失去承载能力，所以没有 防火保护层的钢结构是不耐火的。 ※ 普通低碳钢：
※ 普通低合金钢：200～300℃内强度增加，大于300℃后逐渐降 低。 ※ 冷加工钢筋(冷拉、冷拔、冷轧)：此类钢筋经冷加工后强度提 高，塑性降低。
◆ 燃烧。木材的燃烧速度可用火焰表面传播速度表示，也可用 单位时间内木材的炭化深度表示，一般木材的燃烧速度为0.4～ 0.6mm/min。
2）塑料 它是一种高分子的有机化合物，由天然或人工合成树脂加入 增塑剂、润滑剂和填充材料及颜料制成的。 塑料受高温后分解，然后燃烧。热塑性塑料(如聚乙烯等)达软 化温度后熔化成黏稠状，滴落下来成为二次火源；热固性塑料(如 酚醛树脂)不熔融，当温度达到分解点时会生成烃类化合物可燃气 体、不燃性气体和碳化物，达到燃点后发生燃烧。塑料也可以添 加阻燃剂以提高耐火性能。