混凝土結構抗火研究與發展

【摘要】由于城市的密集化程度越來越高，人口持續增長，
多高層現代建筑（多以鋼筋混凝土建筑居多）也越來越多，從而
導致建筑火災頻繁發生，后果也越來越嚴重，造成人類生命及財
產蒙受重大損失。因此有必要研究鋼筋混凝土結構的抗火性能。
【關鍵詞】混凝土；結構；抗火；發展
近年來，國內外開展了高溫（火災）下鋼筋混凝土材料、構
件及相應結構的受力性能的實驗研究及分析，并取得了一些成果，
現就鋼筋混凝土結構抗火性能研究內容、設計及現狀與發展做簡
單介紹。
引言
火災給人類的生命財產造成極大的損失，火災造成的經濟損
失僅次于干旱和洪澇，而發生的頻度則位居各種災種之首。目前，
鋼筋混凝土結構是我國主要建筑結構形式之一。盡管鋼筋和混凝
土材料屬于熱惰性材料，但由于火災的高溫作用，材料性能將嚴
重劣化，在結構中將發生嚴重的內（應）力重分布，使結構性能
大大削弱，危及結構的安全。建筑結構特別是鋼筋混凝土框架結
構在火災中坍塌的事故時有發生，往往造成重大的人員傷亡和財
產損失。研究鋼筋混凝土結構的抗火性能十分必要和迫切。
1 混凝土結構抗火理論研究內容
混凝土結構抗火的全過程分析包括三部分：室內火災溫度場
分析、構件和結構內部溫度場分析和抗火性能分析。
1.1 混凝土構件和結構內溫度場
影響溫度場的因素較多，但目前的研究仍不夠全面。由于骨
料和水泥石的熱膨脹和熱工性能不同，高溫作用必然使混凝土內
部產生微裂縫，這些裂縫的存在和分布均是隨機的，因而溫度場
分析時可將混凝土視為宏觀連續均質體，但當這些裂縫寬度較大
甚至貫通形成內部空隙和孔洞時，這種假定顯然不符合實際，但
目前尚未對此進行專門研究，更未形成理論體系。
1.2 混凝土構件和結構在火災中的力學行為研究
鋼筋混凝土構件和結構的火災反應分析是在溫度場計算的基
礎上進行的，主要包括承載力、變形計算和耐火時間極限分析。
1.2.1 承載力和變形計算
對一般構件而言，承載力變化主要取決于鋼筋和混凝土在火
災中的損傷程度，而對超靜定結構，還取決于不同部位構件在火
災中剛度下降不同而導致的內力重分布。在試驗研究基礎上，國
內外都對梁、柱、框架等進行了不少火災極限承載力試驗，而在
理論分析上，主要是對構件截面承載力進行計算。較早的抗火承
載力計算是先確定溫度場分布，對材料計入相應的強度折減系數，
將高溫下截面轉化為有效截面，再按照類似于常溫條件下的承載
力求解方法求解。目前的理論計算已大大改進，一般做法是根據
溫度場計算結果將截面劃分成區，計算內力和變形的關系，在截
面承載力計算時，一般仍假定平截面假定成立，且忽略拉區混凝
土的作用及剪切效應等，但需事先明確和建立鋼筋和混凝土的高
溫本構關系、熱變形及瞬時徐變模型。對于構件和結構的變形、
撓度等的計算，可通過牛頓-拉夫遜（正切剛度）法，或把熱膨脹、
徐變與荷載產生的應變分開計算截面的彎矩-曲率關系，從而計算
每一時刻的單元剛度，通過有限元完成分析計算，因此重點在于
確定高溫下鋼筋與混凝土的應變。目前，對承載力和變形的理論
計算仍不完善，主要表現在建立計算模型時，引入了各種假定，
忽略了某些影響因素。這些因素主要包括剪切作用、高溫下鋼筋
混凝土粘結-滑移本構關系、熱邊界條件變化（尤其是混凝土開裂
及內部缺陷損傷）等。
1.2.2 耐火極限研究
目前，國內外在構件的耐火極限理論等方面的研究不夠深入。
董毓利指出，Harmathy 提出的針對單層實心板、雙層復合板、實
心板的經驗半經驗公式是基于 1200 多個構件的耐火試驗得出的，
并形成了一些確定耐火極限大小的規則。隨著研究的不斷深入，
Karamoko 等基于混凝土柱已提出了火安全分析方法，這有助于構
件耐火極限的確定。在國內，陸洲導等以試驗為基礎，通過建立
數學模型，采用有限元法預測梁的耐火性能，為確定建筑構件的
耐火時間開辟了新的思路。這種思路可采用有限元、輸入實際火
災情況下各種火災過程的數學模型，而耐火試驗只能在標準升溫
曲線下進行，從而預示了分析法逐漸取代耗資巨大的標準耐火試
驗的趨勢，應該成為今后的研究重點。
2 混凝土結構抗火設計
2.1 混凝土結構抗火設計方法
混凝土構件和結構的高溫力學性能全過程分析，可以通過非
線性有限元分析獲得準確解，從理論上是可行的，但計算復雜，
因此有必要建立具有工程準確性，簡單實用的構件和結構高溫承
載力的近似計算方法。對構件和結構在高溫后的極限承載力計算
可以采用以下的基本假定：（1）截面溫度場已知；（2）計算截面
溫度場時，忽略截面上鋼筋的作用以及截面應力和裂縫狀況等的
影響，截面上鋼筋溫度值取所在位置的混凝土的溫度；（3）平截
面假定；（4）鋼筋和混凝土之間無相對滑移；（5）忽略混凝土的
高溫抗拉作用。因為混凝土高溫抗壓強度隨溫度升高而變化，所
以混凝土構件截面上溫度的不均勻分布就有相應的不等的抗壓強
度值，這樣使耐火承載力的計算復雜化。
2.2 混凝土結構抗火設計的構造措施
試驗研究表明，混凝土結構的耐火極限是隨著主筋保護層厚
度成正比增加的，增大鋼筋保護層厚度是最直接、最有效的提高
構件抗火能力的措施。
3 鋼筋混凝土結構抗火研究發展趨勢
目前，鋼筋混凝土結構抗火研究的總趨勢為：考慮建筑物的
真實火災特性、基于整體結構的火災反應、確定結構抗火性能指
標、對結構進行性能化抗火設計是結構抗火設計研究的發展趨勢。
3.1 整體結構受火性能研究
現有的抗火設計一般都是基于單個構件，但在火災下，由于
材料性能的劣化，各構件剛度的變化，將引起劇烈的內力重分布，
單個構件的分析可能出現保守或不安全現象。因此，分析火災下
建筑物倒塌的機理，掌握結構內力重分布的規律，能夠有效保證
結構抗火設計的安全性。應加強火災作用下（后）結構連接節點
的工作機理研究、火災下大跨度結構非線性反應及倒塌破壞機制
研究以及火災下多高層結構非線性反應及倒塌破壞機制研究等。
3.2 基于性能的結構抗火設計方法研究
目前“處方式”建筑防火設計規范確定構件耐火極限不能滿
足建筑結構可靠性和最優成本的要求，因此有必要基于建筑物的
整體消防安全目標確定結構的抗火設計要求，對結構進行基于性
能目標要求的抗火設計）確定結構抗火的性能化目標，調整或修
改設計目標，直到滿足性能化目標的結構抗火設計。
3.3 結構火災反應計算機模擬技術研究
隨著計算機技術的迅速發展，使得利用火災計算機模擬技術
進行結構抗火研究成為可能�；馂挠嬎銠C模擬技術的內容包括：
火災發生和發展全過程的預測，結構在火災中的熱反應和力學反
應的非線性分析等。由于火災計算機模擬技術涉及結構工程，火
災科學，計算機科學等學科知識體系，相當復雜，目前世界范圍
內還沒有通用的火災計算機模擬軟件，因此圍繞這方面的研究還
有許多工作。