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建筑结构抗火研究现状及发展

添加日期:2011/2/10 17:11:43 访问次数:3668次

火灾是指失去控制的火在其发展蔓延过程中给人类的生命财产造成损失的一种现象,火灾发生的频度居各灾种之首,火灾造成的损失约为地震灾害的5倍。我国年均发生火灾十几万起,年均损失上百亿元,随着社会经济的发展,火灾防治水平不断提高,但火灾的防治难度也在不断加大。

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。

建筑火灾的发展经历包括火灾起始、充分发展、衰灭三个阶段,是一个复杂的燃烧、传热、传质、湍流过程,与可燃物情况、空间特征、通风情况等许多因素有关。对火灾的模拟可分为经验模拟、半经验半物理模拟、物理模拟三类。经验模拟是通过经验公式来模拟火灾温度随时间的变化,物理模拟是以化学流体力学为基础来模拟火灾过程。确定火灾环境,需要掌握火灾全过程,特别是火灾旺盛阶段的变化规律。在火灾旺盛阶段,其持续时间及其间达到的最高温度是两个最重要的指标[1]

为了使各抗火试验的结果能够进行比较与利用,许多国家和组织都制订了室内火灾标准升温曲线,各曲线相近,我国采用的是国际标准化协会(ISO)给出的标准升温曲线。当比较准确地知道影响火灾的参数值时,也可采用参数化升温曲线模拟火灾,然后通过等效爆火时间的概念,将参数化升温曲线与标准升温曲线联系起来。等效爆火时间为按参数化曲线升温与按标准曲线升温对构件造成的损伤程度相同时的标准升温时间,标准升温曲线和参数化升温曲线均属于经验模拟。

建筑火灾的发生往往是从失火点开始的,属于局部燃烧。进入火灾旺盛阶段时,一般已发展成失火房间的整间燃烧。研究从局部燃烧到整间燃烧的发展规律;研究火灾从着火房间向其他房间和其他楼层的蔓延、发展规律,则是建筑火灾研究的另一项主要任务。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。

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[2]

我国对结构抗火性能的研究开始较晚,系统的研究始于20世纪80年代,国内开展抗火研究的机构主要有同济大学、清华大学、东南大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、重庆大学和西南交通大学等。国内也相继成立了一些大型的火灾研究机构,如公安部下设的四大消防研究所(天津、四川、上海、沈阳) ,曾在建筑火灾理论、建筑结构防火技术、建筑火灾烧损鉴定技术、高层建筑防排烟技术、自动喷淋灭火技术、材料防火保护及阻燃技术、新型防火建筑构件和防火建筑材料开发、防火建筑材料检测以及工程防火标准、规范的制定等领域取得了丰硕的成果。

国外在20世纪40年代就开始了混凝土结构抗火的系列研究,并成立了许多抗火研究组织,比较著名的有:美国建筑火灾研究实验室BFRL、美国消防协会NFPA、美国波特兰水泥协会PCA、英国建筑研究委员会BRE。这些组织对建筑结构的抗火性能进行了系统的研究,研究内容涉及建筑材料高温下的力学性能;结构或构件火灾下的升温过程及温度场的确定;火灾作用下结构和构件的极限承载力及耐火性能等,并编制了相应的建筑行业规则。

国内外现有高温下和高温后混凝土结构的力学性能研究成果主要集中在单个构件方面,有关结构整体的研究成果偏少。特别是近些年来,采用概率以及性能化设计的方法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[3]

对于预应力混凝土结构、多层框架结构、高层结构,火灾高温将引起结构的内力分布变化,变形分布变化,结构承载力下降,结构动力性能变化以及结构稳定性的变化以及火灾对结构的局部破坏可能引起结构的连续倒塌和整体破坏仍有待研究。研究火灾高温下,不同结构的性能变化规律;研究火灾高温下,结构连续倒塌和整体破坏的机理,是结构抗火研究的主要内容。

结构的抗火设计从两个途径进行研究:1)把火灾的高温作用等效为一种荷载,与结构上的其他荷载(恒载、活载、风载、地震作用等) 一起参与荷载效应组合,按概率极限状态设计方法进行设计,即建立考虑火灾高温作用的统一的结构设计方法。2)对已按常规方法完成设计的混凝土结构,进行抗火能力的验算,以满足相应的抗火要求。除进行抗火计算外,加强结构的抗火构造措施也是提高结构抗火能力的一个重要手段。需要研究和发掘实用、有效的抗火构造措施,以使结构的抗火能力得到保证。

火灾作为一种多发的灾害,对人们的生命及财产造成惨重的损失。建筑火灾对混凝土结构造成一定的损伤甚至整体的破坏。研究结构的抗火性能,建立结构的抗火设计方法,建立抗火结构的损伤评估及修复加固方法,理应成为混凝土结构研究的一项重要任务。

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