建筑结构抗火设计

建筑结构抗火设计

廖晔

廖晔

永州职业技术学院湖南省永州市422000

摘要：在火灾作用下，火灾高温使得结构材料的性能发生严重劣化，结构构件将发生剧烈的内力重分布，结构变形显著加剧，从而造成结构的承载性能大大削弱，危及结构的安全，甚至导致结构发生局部或整体倒塌和破坏。由于建筑的高、柔特性，所以结构对风荷载十分敏感，风振效应及舒适度是超建筑结构设计中不可忽视的问题。因此如何合理进行结构的抗火设计，特别是通过系统的理论分析和研究，建立一整套科学、可靠、实用的结构抗火设计方法，正日益受到学术界和工程界的关注。

关键词：建筑结构；抗火设计；设计问题

高层建筑的火灾已经成为危害人们生命财产安全的主要灾害之一，仅仅依靠高层建筑内部的消防系统是无法完全解决火灾造成的损失。现代建筑物大部分是采用钢筋混凝土结构或钢结构建设的，虽然这种材料本身就是热惰性材料，在火灾中并不会燃烧。但如果火灾的温度过高，热惰性材料的性质也会发生变化。当周围的温度达到300℃以上，钢材的承载力和耐火极限就会出现严重的下降；当周围的温度达到400℃的时候，混凝土材料就会在截面上出现不均匀温度场，继而改变截面的应力分布情况[1]。这些都会对建筑结构产生致命的破坏。

一、建筑结构抗火设计方法的不足

1、建筑结构抗火等级的划分不全面。我国目前所使用的建筑结构抗火设计方法是依据建筑物的性质、重要性、扑救难度来确定及抗火等级的，然后再考虑建筑建构的抗火稳定性。这样的抗火设计方法全面没有考虑建筑物的火灾荷载量的大小所造成的影响，而是过于强调建筑物失火的可能性。发生火灾时，火灾荷载较大的建筑物的温度会在短时间内升高，火灾的燃烧时间也长，如此必然会对建筑结构造成重大的损伤。如果建筑物的火灾荷载较小，其温度就不会在短时间升高，燃烧的时间也就缩短，对建筑结构的负面影响自然也就会降低。当建筑物的火灾荷载量大小相等时，火灾房间的形状、火灾与空气的接触程度以及火灾热量的散发的不同也会对建筑结构产生不同的作用。

2、对于建筑物的抗火极限的计算过于粗糙。建筑物的抗火极限的计算是需要在一定的条件下，根据有限次数的抗火实验的结果才能得到其抗火极限的正确数值。但由于影响抗火实验的结果因素比较多，因此很难得到一个较为合理且正确的抗火极限数值。在我国现有的建筑结构的抗火设计中，对于柱的抗火极限是按照截面尺寸来计算的，忽视了截面的配筋情况、受力状态及长度等因素的影响。对于梁的抗火极限也仅仅是从其配筋情况进行计算，没有考虑到配筋的具体种类与荷载大小、截面的形状等因素。由于对于抗火极限的计算过于粗糙，在火灾中出现结构失效导致坍塌或局部失效的情况的几率自然比较高。

二、建筑结构抗火设计的方向

1、合理的结构抗火设计方法

（1）结构抗火设计要求。在规定的结构耐火设计极限时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；在规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；火灾下。当结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的温度为临界温度Td，则Td应不小于在耐火极限时问内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。

（2）基于计算的结构抗火设计方法。基于计算的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判据，其计算过程如下：采用确定的防火措施；计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；采用确定的高温下材料的参数，计算结构中该构件在外荷载的内力；由计算的温度场确定等效截面和等效强度；根据构件和受载的类型，进行结构抗火承载力极限状态验算。

2、加大对建筑材料性能、热传导及温度场分布的研究，由于混凝土与钢材的化学成分本身就存在很大的差异性，因此在高温的影响下二者的力学性能是一定会产生离散性的。因此要对不同的建筑材料进行实验，以确定其基本的性能和变化情况。尽量选择即便在高温下也具有良好性能的建筑材料，以提升建筑结构的抗火性能。通过计算建筑材料的热传统及热度场的分布情况，来确定钢筋保护层的厚度及选择建筑表面的防火材料，以提升建筑结构的抗火性能。

3、重视对建筑结构在火灾下的可靠度分析。目前使用概率计算的方式来评估工程建筑结构的安全度已经成为工程界内最常使用的方式。但该方式是否在火灾中也同样使用，还需要进一步的研究。因为当火灾发生几率、火灾的持续时间、峰值强度及结构所承载的火灾负载都充满了不确定性。而一些建筑材料会在高温条件下出现离散型，进而影响到建筑结构的抗火性能。因此重视建筑结构在火灾中的可靠度将是提升建筑结构抗火性能设计中的一个重要课题。

4、做好火灾后的鉴定与修复工作。由于经济条件或技术条件的限制，一些建筑在设计或施工是往往没有采取必要的抗火措施，导致在发生火灾后出现建筑结构破坏、倒塌的事件。我国对于火灾后的鉴定与修复工作的研究还处于起步阶段，大多数建筑在经历火灾时发生建筑结构破坏或坍塌后，只能废弃或重新建筑。这样无疑加重了火灾之后的重建工作的经济压力。在火灾后对建筑进行修复加固，并加大对火灾后重建建筑结构的抗火性能的鉴定，尽可能的提升建筑结构的抗火性能。

5、研究并建立建筑结构抗火设计计算机模块。根据相关研究可以了解，对特定结构进行火灾全过程非线性有限元分析在理论上是行的通的，但由于其运算过程非常的繁琐复杂，因此并没有建立有效的计算模型，被广泛的应用。但相关人员可以以此为基础，运用先用的结构设计软件，建立一个操作简单、概念清晰且计算准确度较高的计算机程序，用于提升建筑结构抗火性能设计的计算。一旦该计算机模块被设计出，将会大大提升建筑结构的抗火性能，提升抗火设计的有效性和实操性。

6、建筑结构耐火设计解决的问题

建筑结构耐火设计研究已开展数十年，而我国才刚刚起步：要采用前述先进的设计方法，还需开展大量的研究工作。

（1）结构材料在高温下的有关设计参数研究，迄今为止我国尚未对结构材料的热反映性能开展大规模系统研究。尽管有些单位从事过一些研究，但由于我国幅员辽阔，材料变异性非常大，必须进行较大规模的研究，才能确定用于结构耐火设计的基础数据。

（2）钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模能确定与我国常温结构设计相适应的计算模式。

（3）钢结构防火涂料，板材热性能及构件在给定临界温度下保护层厚度确定方法的研究。我国虽开发了不少种类的结构防火涂料，但由于采用标准耐火试验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热参数随温升的变化规律以及保护层厚度的计算方法。该研究具有相当紧迫性。

（4）承重构件所需耐火极限的研究。构件所需要耐火极限直接关系到耐火设计的成败。只有从构件所处的实际条件出发规定其耐火极限，设计结果才具有可靠性和安全性。

（5）火灾荷载分布统计研究。该研究是耐火设计的基础。国外许久国家都进行过研究，并公布了用于设计的火灾荷值。我国非常需要符合我国实际的火灾荷载数值。

三、高层建筑结构抗火设计控制措施

1、被动控制

（1）耗能减振系统。耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件，或在结构物的某些部位设置阻尼器，在风荷载作用时，阻尼器产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力反应减小。耗能减振系统可分为两类：耗能构件减振体系，利用结构的非承重构件作为耗能装置，常用的耗能构件包括耗能支撑、耗能剪力墙等；阻尼器减振系统，包括黏弹性阻尼器（VED）、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。

（2）吸振减振系统。吸振减振技术是在主结构中附加子结构，使结构振动发生转移，即使结构的振动能量在主结构与子结构之间重新分配，从而达到减小结构风振反应的目的。目前，主要的吸振减振装置有调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）[7]等。

2、锚索控制。锚索控制最早是由预应力创始者提出的基本原理是：在地震或风荷载作用下，结构产生振动，当结构层间相对变形很小时，锚索处于松弛状态，不起任何作用；而当结构层间相对运动很大时，锚索张紧，起斜向支撑作用，大大地约束结构的层间相对位移，从而控制结构的振动。

3、主动控制。主动控制的研究涉及控制理论、随机振动、结构工程、材料科学、计算机科学、机械工程、振动测量、数据处理等技术，是一门新兴的交叉学科。由于主动控制的实时控制力可以随激励输入改变，其控制效果不依赖于外荷载的特性，因此明显优于被动控制。目前，结构主动控制的理论研究以各种控制算法为主线，采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可行性、控制系统的时滞效应和时滞补偿、控制参数对控制效果的影响等问题。主动控制算法主要有：经典线性最优控制算法、瞬时最优控制算法、预测实时控制算法、随机最优控制算法、模糊控制算法、界限状态控制、极点配置法、独立模态空间控制法、滑动模态控制理论、神经网络控制等。目前研究开发的主动控制装置主要有：主动控制调谐质量阻尼器（AMD）、主动空气动力挡风板控制系统、主动支撑系统、气体脉冲发生器、线性电动机控制系统等。

4、混合控制系统。混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的振动控制方式。一方面，被动控制由于引入了主动控制，其控制效果增强，系统可靠度得以提高；另一方面，主动控制由于被动控制的参与，所需的主动控制力大大减小，系统的稳定性和可靠性都有所增强。目前，提出的混合控制系统主要有以下几种：AMD和TMD相结合的控制系统、主动控制与耗能装置相结合的控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统。由于高层建筑的高、柔特性，所以结构对风荷载十分敏感，风振效应及舒适度成为超高层建筑结构设计中不可忽视的问题。对于体型规则、质量分布均匀的高层建筑，我国规范提出了风振效应和舒适度的简化计算方法。对于结构形式复杂的高层建筑，结构的风振效应和舒适度往往通过风洞试验确定。目前，控制高层建筑风致振动的方法主要有两种：通过空气动力学优化结构形态；采取结构控制措施，包括被动控制、锚索控制、主动控制、混合控制等。

随着人们对现代建筑的安全性要求越来越高，建筑结构不仅要具备应有的消防系统、抗震性能，还有应该具备足够的抗火性能。当建筑发生火灾时，如果其具备良好的抗火性能，不仅能够有效的防止火势的蔓延，为人们疏散、逃离争取到足够的时间，还能在火灾之后对建筑进行再次使用，大大降低了火灾造成的损失。但目前我国对于建筑结构的抗火性能并没有一个专业的、有效的、准确的设计方式。对于建筑结构抗火等级的划分不全面及抗火极限的计算过于粗糙，都导致因火灾造成的建筑物破坏、坍塌的事件时有发生。因此，在加大对建筑结构抗火设计的理论研究的同时，还要加大对其实验数据的收集，为建立有效的计算机模型提供前提条件。

参考文献：

[1]赵昕，丁洁民，孙华华.浅谈某中心大厦结构抗风设计[J].建筑结构学报，2016，32（7）：1-7.

[2]宋伟宁，徐斌.某中心大厦新型阻尼器效能与安全研究[J].建筑结构，2016，46（1）：1-8.

[3]毛小勇，韩林海．高层建筑压型钢板一混凝土组合板抗火研究的现状和特点[J].哈尔滨建筑大学学报，2015，34（2）．

[4]陈一欧，吕天启，赵国藩．高层建筑钢管增强方钢管混凝土偏压柱温度场分析及耐火极限计算[J].工业建筑，2016．