混凝土结构抗火设计综述

混凝土结构抗火设计综述 向贤华勘察、设计

混凝土结构抗火设计综述

向贤华

(铁道第四勘察设计院城建院 武汉430063)

[摘 要] 总结归纳了国内外混凝土结构抗火设计研究的现状、混凝土结构的火灾反应,在指出目前我国结构抗火设计方法存在的缺点的基础上,提出基于计算的结构抗火设计方法,并针对现阶段的研究状况,对结构抗火设计有待进一步研究的问题提出了自己的见解。

[关键词] 混凝土 结构 火灾 反应 结构抗火 设计

1 前言

频繁发生的建筑火灾,往往造成人类财富和物质资源的巨大损失,甚至人员的惨重伤亡。特别是近年来,随着建筑物高层化、大规模化及用途的复合化的发展,在火灾防治水平不断提高的同时,火灾的防治难度也在不断加大。目前,对火灾的防御和研究主要集中在建筑防火和结构抗火两个方面。

50年代,前苏联首先颁布了耐热钢筋混凝土的设计暂行指示( -151-56/M C ),之后,美国消防协会(1962)、FIP/CEB(1979)、瑞典(1983)、法国(1984)相继颁布了钢筋混凝土抗火的设计标准。

70年代,我国冶金工业部建筑研究总院等单位编制了冶金工业厂房钢筋混凝土结构抗热设计规程!,该规程给出了60~200∀范围内的设计计算方法、设计措施、材料指标及有关规定,这是我国第一部有关钢筋混凝土结构抗火设计规程。80年代中期开始,为了制订科学合理的建筑结构抗火设计规范,清华大学、同济大学、西南交通大学等单位对钢筋混凝土结构的高温材料模型、构件和结构在高温下的反应以及灾后评估修复等问题进行了研究,并取得了较为丰富的成果。到目前为止,我国已有GB9918-88建筑构件火灾试验!和DBJ08-219-96火灾后混凝土构件评定标准!两部与混凝土结构抗火有关的技术规

范[1,2]。

随着国内混凝土结构抗火研究的深入,制定混凝土结构抗火设计标准已成为必然趋势。

2 混凝土结构进行抗火设计的必要性

2.1 火灾对混凝土结构的破坏

对于混凝土结构,虽然其耐火性能比木结构和钢结构好,但实际发生的火灾实例表明,混凝土结构在火灾作用下承载力降低、结构失效以致于倒塌的危险依然存在。主要原因是:在火灾引发的高温作用下,钢材和混凝土的强度、弹性模量以及两者之间的粘结力等均随温度升高而降低,甚至有时还会发生混凝土的爆裂。这些材性的严重劣化,必将导致构件的承载能力下降、变形增大。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,导致不均匀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,甚至导致结构失效。

2.2 结构抗火设计的内容

建筑防火主要是利用建筑的防火措施(如防火分区、消防设施的布置等)、建筑的防护设施(如防火门、防火墙)和结构防护设施(如防火涂料、防火板等)达到其减少火灾发生的概率,避免或减少人员伤亡以及减少火灾直接经济损失的目的。而进行结构抗火设计的意义为[3]:

#建筑物发生火灾时,确保其能在一定的时间内不破坏,不传播火灾,延缓火势的蔓延;

∃避免结构在火灾中局部或整体倒塌导致救火和人员疏散的困难;

%减轻结构在火灾中的破坏,减少结构的修复费用,缩短修复周期,减少间接经济损失。

为达到以上目的,规定当结构达到以下极限状态之一时,即认为结构抗火失效:

#承载能力极限&&&结构升温后承载力下降,在使用荷载作用下发生破坏、失稳或过大变形;

∃阻火极限&&&结构的整体性受到损坏,产生了较宽的裂缝或孔洞,不再能阻止火焰的蔓延和高温烟气的穿透;

%隔热极限&&&当结构背火面的温度过高,可能引起相邻空间点燃起火,致使火灾蔓延。

亦即结构抗火设计应满足承载力、变形和耐火等级的要求。

3 混凝土结构的火灾反应分析

结构的火灾反应分析主要是指结构或构件在高温下的承载力分析和变形分析。由于火灾中作用于结构上的荷载基本保持不变,所以结构火灾中的反应分析便是在荷载固定及温度不断升高情况下进行的。为判定火灾反应是否满足结构抗火要求,还应进行结构的耐火极限分析。因此,对于混凝土结构,其火灾反应分析主要包括温度场计算、承载力和变形计算以及耐火极限分析。

3.1 火灾升温温度

构件在遭受火灾时,火场温度的发展过程对结构性能的影响至关重要。因此,必须首先建立火场升温曲线模型。目前的升温模型主要有三类[4]:国际标准升温曲线(如ISO834)、由标准升温曲线改进的等效曝火时间模型和由完全发展的室内自然火灾时空气温度的时间-温度曲线决定的模型,其中,第一种模型为大多数研究者所采用。此外,考虑到模型与实际火灾情况的差异,为简化计算,有些研究者还另行建立与自己研究相匹配的模型。

3.2 混凝土结构内部的温度场

建筑物起火时,火灾通过热辐射、对流及热传导首先传给结构构件表面,然后通过热传导在构件内部传递。混凝土结构在火灾高温作用下发生材质和力学性能上的变化,因此要对混凝土结构进行高温下的分析,必先确定构件内部的温度场。

火灾作用下,构件截面的温度场随时间而变化,而且混凝土的导热系数、比热和质量密度也不是常数。所以截面热传导问题是一个非线性瞬态问题,其控制方程是一个非线性抛物线型偏微分方程。对于实际同题,解析解几乎不可能得到,一般只能采用数值解法。实践表明,有限元与差分相结合的方法求解热传导方程比较有效。

影响温度场的因素较多,如微裂缝、大孔洞、尺寸效应、混凝土龄期、恒温时间长短以及火灾中混凝土的爆裂等都对温度场有影响,但目前的研究还不够全面。

另外,分析结构的火灾反应,对降温过程的分析是必要的。因为降温过程同样使结构处于不均匀的温度场作用下。降温作用对超静定结构损害很大,可能使火灾下未被破坏的结构破坏。当前对结构火灾反应研究多停留在升温阶段,由于降温模拟对实验条件要求较高,对结构降温过程的火灾反应研究较少。

3.3 承载力计算

对一般构件而言,承载力变化主要取决于钢筋和混凝土在火灾中的损伤程度,而对超静定结构,还取决于不同部位构件在火灾中刚度下降不同而导致的内力重分布。在试验研究的基础上,国内外对梁、柱、框架等进行了大量的火灾极限承载力试验,而在理论分析上,主要是对构件截面承载力进行计算。目前一般做法是根据温度场计算结果将截面划分成区,计算内力和变形的关系,在截面承载力计算时,一般仍假定平截面假定成立,且忽略拉区混凝土的作用及剪切效应等,但需事先明确和建立钢筋与混凝土的高温本构关系、热变形及瞬时徐变模型。

3.4 变形计算

影响构件和结构变形的因素有构件刚度、热

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