结构抗火性能试验研究综述

2022-12-14曹博褚作勇安徽理工大学土木建筑学院

消防界(电子版) 2022年1期

■ 曹博褚作勇安徽理工大学土木建筑学院

一、研究背景

结构抗火向来是工程防灾减灾领域的重要问题。2001年9月11日，美国纽约世贸中心双塔受到恐怖主义飞机撞击，飞机燃油引起的大火使承重钢结构融化，导致两塔完全倒塌；2009年2月9日，在建的北京中央电视台新大楼北配楼由于违法燃放烟花发生特大火灾。2019年4月15日，法国巴黎圣母院发生大火，建筑损毁严重，对人类文化遗产带来了无法估量的损失[1]。

结构抗火的研究内容，从研究方法上分为理论分析与试验模拟，从材料上分为钢筋混凝土结构和钢结构，按研究的具体内容又分为材料、构件和整体结构三个层面。文章以结构抗火性能试验为切入点，介绍结构抗火领域的研究内容，总结近年来的研究成果，分析其中存在的问题，展望未来的发展趋势，为后来的学者提供参考。

二、结构抗火研究内容

（一）火灾温度场

要研究建筑结构在火灾下的反应和抗火性能，首先需要确定外部加热条件和结构内部的温度分布随时间变化的曲线。火灾中空气的升温主要取决于可燃物的数量和通风情况，对于一般室内火灾，学者们提出了多个基于参数化的升温模型，如马忠诚模型、ASCE模型、欧洲规范模型等，但一般民用建筑火灾采用偏于安全的ISO834标准升温曲线即可。火灾升温曲线一般通过火灾试验炉来实现。

时旭东和过镇海采用Galerkin有限单元法，计算了在已知的火灾温度和时间的对数关系，如标准升温曲线下，钢筋混凝土结构沿截面的二维温度场分布，并与三面受火钢筋混凝土构件升温实验的结果对比，具有较高的精度[2]。陆洲导和徐朝晖对钢骨混凝土柱在火灾下的温度场进行了计算分析，并得到了试验验证[3]。

随着大空间结构在体育场馆、机场、超市等建筑中广泛应用，其独特的火灾反应成为学者们关注的问题。这类结构一般采用钢结构来缩减构件尺寸，其温度场分析对于性能化防火设计非常重要，需要考虑烟气扩散和通风等条件，属于三维情况下的非稳态分析。

（二）材料

了解结构的材料在高温下的力学性能和热工性能，是结构抗火研究的基础。国际上从20世纪50年代开始对混凝土和钢的高温材性进行了一系列试验研究，并拟合出相应的计算公式。国内起步较晚，从20世纪80年代开始，清华大学、同济大学等出现了一批学者致力于结构抗火领域的研究。

混凝土是一种不均匀的各向异性材料，由于内部存在孔隙和水，在高温时水蒸气和空气剧烈膨胀，会出现特有的高温爆裂现象，对力学性能十分不利。混凝土的高温爆裂受到升温速率、混凝土强度、含水率、水灰比、骨料种类、截面尺寸、钢筋保护层厚度、养护方式、养护时间等因素的影响，由于实验结果离散性较大，很难在爆裂起始时间及爆裂深度与各影响因素之间建立起定量的联系。目前对混凝土高温爆裂机理的解释有蒸汽压力、热应力和热开裂三种理论，但国内外仍有争议。学者们发现高强混凝土相比普通混凝土耐火性能较差，更易发生高温爆裂，但适当掺入PP纤维或钢纤维，可以有效防止混凝土高温爆裂[4]。

混凝土的高温徐变和钢材的高温蠕变会影响火灾下结构反应，尤其是对预应力结构，高温下预应力筋的蠕变会导致严重的预应力损失，这也使得预应力结构相对普通结构需要更高的抗火性能。周焕廷等研究了1860级低松弛预应力钢绞线的高温蠕变，拟合出蠕变与时间关系计算式，并对蠕变后的试件恢复到常温重新进行抗拉试验，得出高温蠕变对恢复到常温后的抗拉强度影响较小的结论[5]。

（三）构件

目前我国主要采用传统的“处方式”防火设计，根据建筑的重要性、火灾的危险性以及构件的重要性，通过标准结构试件在标准升温试验下的耐火试验，以耐火时间的形式确定每个构件的耐火等级和耐火极限，以此作为消防设计的规范。

钢—混凝土组合结构由于优良的性能，在结构中应用越来越广泛。韩林海等进行了钢管混凝土柱耐火极限和火灾后剩余承载力的试验研究。节点的力学性能是结构设计的重点，在实际结构中，梁—柱、梁—梁等节点往往更容易发生破坏，其在火灾下的反应也应重点考虑。

（四）结构

整体结构在火灾下的反应涉及所有构件的协同受力和升温后的内力重分布，每一个构件都处在复杂的受力与边界条件约束中，单一构件的失效往往不会导致整体结构的破坏，“处方式”的设计方法是保守而不完善的。这就需要整体结构层面的火灾试验研究。

相比于国外的研究，国内对于足尺模型的抗火试验起步较晚，案例较少，而且主要集中于简单框架结构，对于复杂结构的火灾反应，研究者往往选择使用有限元软件进行模拟，但计算机模拟难以反映真实的火灾作用，进行一定的整体结构抗火试验是必要且有意义的。

英国BRE对一个8层钢框架进行了整体结构的火灾试验，分析了整体结构的约束作用对梁、板、柱在火灾下反应的影响，试验发现如果节点连接可靠，结构中的梁和板可以发生很大的挠曲变形而不破坏，而柱会相应产生较大的弯矩[6]。

（五）火灾后结构损伤评估与加固修复

火灾不一定导致结构的倒塌，而只是对结构造成一定的损伤，受火后的结构能否继续使用是工程中关注的重要问题，这就需要准确评估鉴定火灾后结构的损伤程度，并确定合理的修复加固方案，使修复后结构能够满足安全和正常使用的条件，这会带来可观的社会和经济效益。

《火灾后建筑结构鉴定标准》（CECS 252—2009）给出了建筑结构火灾后力学性能评估的一般程序。火灾后结构的初步鉴定，是通过调查火灾情况，观测结构表面特征，包括颜色、裂缝、脱落、钢筋、变形等，初步划分结构构件受火损伤等级。结构损伤详细评估的主要指标是结构剩余承载力，其检测内容主要包括火灾后混凝土强度检测、构件烧伤深度检测等几个方面。对于高温后材料和构件的性能和受损情况已有大量实验室试验成果。

纤维编织网增强混凝土（TRC）是一种新型的高性能水泥基复合材料，采用TRC加固钢筋混凝土结构和砌体结构，是目前加固工程领域的一种新方式[7]。

经历了升降温过程后，结构中往往会有不可忽视的残余应力和残余变形，但这些在构件的火灾后性能评估中无法体现。目前国内外对于整体结构火灾后力学性能评估方法的研究成果还较少，也没有相关规范指导。确定火灾温度场分布，建立整体结构火灾数值模拟的计算模型，对建筑结构进行火灾后力学性能评估，探索完整科学的损伤评估体系，是今后结构损伤评估研究工作的重点。

三、研究趋势与展望

（一）随机火灾作用研究与可靠度设计

火灾实际上是一种随机作用，其发生的概率，发生时作用的位置与大小都是不可预测的。考虑真实火灾特点，更加准确地模拟火灾对结构的作用，把火灾作用和耐火极限与结构设计中“荷载”和“抗力”的概念相对应，建立基于概率模型的可靠度设计方法，以满足结构抗火的性能化目标。

（二）高温性能机理的研究

精细、准确、通用的高温材料模型，是性能化防火设计不可缺少的条件。对于混凝土高温爆裂的机理与定量分析，目前尚未形成统一的观点。新材料、新工艺、新结构不断出现并应用，对其高温性能的试验研究是不变的话题。温度与荷载的耦合作用是材料性能进一步研究的重点，包括不同的温度—荷载路径、降温段的力学性能、反复升降温、多轴应力下的高温性能等。

（三）火灾后评估修复系统化理论

目前主要通过表观观测和材料检测来判断结构火灾后的剩余承载力，表示结构的受损程度。但缺少对于结构残余变形和残余应力的分析，没有定量判断结构损伤指标的评估方法。探讨对于结构更加科学准确的评估方法与经济高效的火灾后加固方法，是未来火灾后结构评估修复的研究方向。

（四）新型结构抗火试验与理论研究

近年来，上百米的超高层建筑在中国各地拔地而起，但高层结构更易受部分区域火灾影响导致整体破坏，对于防火性能有更高的要求；地下空间结构可以更加高效地利用城市面积，但由于地下空间狭小封闭，火灾时会产生更多的烟气而且难以排除，多层地下空间发生火灾时危险更大，地下空间结构的构件的耐火极限要求往往相对地上空间构件大很多；跨结构由于灵活美观的外表与巨大的内部空间，颇受建筑师们喜爱，但传统的抗火理论难以适用这种复杂结构模型。