混凝土结构抗火研究与发展

【摘要】由于城市的密集化程度越来越高，人口持续增长，多高层现代建筑（多以钢筋混凝土建筑居多）也越来越多，从而导致建筑火灾频繁发生，后果也越来越严重，造成人类生命及财产蒙受重大损失。因此有必要研究钢筋混凝土结构的抗火性能。

【关键词】混凝土；结构；抗火；发展

近年来，国内外开展了高温（火灾）下钢筋混凝土材料、构件及相应结构的受力性能的实验研究及分析，并取得了一些成果，现就钢筋混凝土结构抗火性能研究内容、设计及现状与发展做简单介绍。

引言

火灾给人类的生命财产造成极大的损失，火灾造成的经济损失仅次于干旱和涝，而发生的频度则位居各种灾种之首。目前，钢筋混凝土结构是我国主要建筑结形式之一。尽管钢筋和混凝土材料属于热惰性材料，但由于火灾的高温作用，材料性能将严重劣化，在结构中将发生严重的内（应）力重分布，使结构性能大大削弱，危及结构的安全。建筑结构特别是钢筋混凝土框架结构在火灾中坍塌的事故时有发生，往往造成重大的人员伤亡和财产损失。研究钢筋混凝土结构的抗火性能十分必要和迫切。

1 混凝土结构抗火理论研究内容

混凝土结构抗火的全过程分析包括三部分：室内火灾温度场分析、构件和结构内部温度场分析和抗火性能分析。

1.1 混凝土构件和结构内温度场

影响温度场的因素较多，但目前的研究仍不够全面。由于骨料和水泥石的热膨胀和热工性能不同，高温作用必然使混凝土内部产生微裂缝，这些裂缝的存在和分布均是随机的，因而温度场分析时可将混凝土视为宏观连续均质体，但当这些裂缝宽度较大甚至贯通形成内部空隙和孔洞时，这种假定显然不符合实际，但目前尚未对此进行专门研究，更未形成理论体系。

1.2 混凝土构件和结构在火灾中的力学行为研究

钢筋混凝土构件和结构的火灾反应分析是在温度场计算的基础上进行的，主要包括承载力、变形计算和耐火时间极限分析。

1.2.1 承载力和变形计算

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。在试验研究基础上，国内外都对梁、柱、框架等进行了不少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。较早的抗火承载力计算是先确定温度场分布，对材料计入相应的强度折减系数，将高温下截面转化为有效截面，再按照类似于常温条件下的承载力求解方法求解。目前的理论计算已大大改进，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和混凝土的高温本构关系、热变形及瞬时徐变模型。对于构件和结构的变形、挠度等的计算，可通过牛顿-拉夫逊（正切刚度）法，或把热膨胀、徐变与荷载产生的应变分开计算截面的弯矩-曲率关系，从而计算每一时刻的单元刚度，通过有限元完成分析计算，因此重点在于确定高温下钢筋与混凝土的应变。目前，对承载力和变形的理论计算仍不完善，主要表现在建立计算模型时，引入了各种假定，忽略了某些影响因素。这些因素主要包括剪切作用、高温下钢筋混凝土粘结-滑移本构关系、热边界条件变化（尤其是混凝土开裂及内部缺陷损伤）等。

1.2.2 耐火极限研究

目前，国内外在构件的耐火极限理论等方面的研究不够深入。董毓利指出，Harmathy 提出的针对单层实心板、双层复合板、实心板的经验半经验公式是基于 1200 多个构件的耐火试验得出的，并形成了一些确定耐火极限大小的规则。随着研究的不断深入，Karamoko 等基于混凝土柱已提出了火安全分析方法，这有助于构件耐火极限的确定。在国内，陆洲导等以试验为基础，通过建立数学模型，采用有限元法预测梁的耐火性能，为确定建筑构件的耐火时间开辟了新的思路。这种思路可采用有限元、输入实际火灾情况下各种火灾过程的数学模型，而耐火试验只能在标准升温曲线下进行，从而预示了分析法逐渐取代耗资巨大的标准耐火试验的趋势，应该成为今后的研究重点。

2 混凝土结构抗火设计

2.1 混凝土结构抗火设计方法

混凝土构件和结构的高温力学性能全过程分析，可以通过非线性有限元分析获得准确解，从理论上是可行的，但计算复杂，因此有必要建立具有工程准确性，简单实用的构件和结构高温承载力的近似计算方法。对构件和结构在高温后的极限承载力计算可以采用以下的基本假定：（1）截面温度场已知；（2）计算截面温度场时，忽略截面上钢筋的作用以及截面应力和裂缝状况等的影响，截面上筋温度值取所在位置的混凝土的温度；（3）平截面假定；（4）钢筋和混凝土之间无相对滑移；（5）忽略混凝土的高温抗拉作用。因为混凝土高温抗压强度随温度升高而变化，所以混凝土构件截面上温度的不均匀分布就有相应的不等的抗压强度值，这样使耐火承载力的计算复杂化。

2.2 混凝土结构抗火设计的构造措施

试验研究表明，混凝土结构的耐火极限是随着主筋保护层厚度成正比增加的，增大钢筋保护层厚度是最直接、最有效的提高构件抗火能力的措施。

3 钢筋混凝土结构抗火研究发展趋势

目前，钢筋混凝土结构抗火研究的总趋势为：考虑建筑物的真实火灾特性、基于整体结构的火灾反应、确定结构抗火性能指标、对结构进行性能化抗火设计是结构抗火设计研究的发展趋势。

3.1 整体结构受火性能研究

现有的抗火设计一般都是基于单个构件，但在火灾下，由于材料性能的劣化，各构件刚度的变化，将引起剧烈的内力重分布，单个构件的分析可能出现保守或不安全现象。因此，分析火灾下建筑物倒塌的机理，掌握结构内力重分布的规律，能够有效保证结构抗火设计的安全性。应加强火灾作用下（后）结构连接节点的工作机理研究、火灾下大跨度结构非线性反应及倒塌破坏机制研究以及火灾下多高层结构非线性反应及倒塌破坏机制研究等。

3.2 基于性能的结构抗火设计方法研究

目前“处方式”建筑防火设计规范确定构件耐火极限不能满足建筑结构可靠性和最优成本的要求，因此有必要基于建筑物的整体消防安全目标确定结构的抗火设计要求，对结构进行基于性能目标要求的抗火设计）确定结构抗火的性能化目标，调整或修改设计目标，直到满足性能化目标的结构抗火设计。

3.3 结构火灾反应计算机模拟技术研究

随着计算机技术的迅速发展，使得利用火灾计算机模拟技术进行结构抗火研究成为可能。火灾计算机模拟技术的内容包括：火灾发生和发展全过程的预测，结构在火灾中的热反应和力学反应的非线性分析等。由于火灾计算机模拟技术涉及结构工程，火灾科学，计算机科学等学科知识体系，相当复杂，目前世界范围内还没有通用的火灾计算机模拟软件，因此围绕这方面的研究还有许多工作。