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建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計研究
摘 要:闡述了建筑火災(zāi)的危害性,揭示 目前 我國結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的缺點,提出基于 計算 的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計 方法 ,并指明了結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法有待進一步 研究的問題 。
關(guān)鍵詞:建筑火災(zāi);抗火設(shè)計;材料性能 1 火災(zāi)的危害性 我國的火災(zāi)次數(shù)和損失相當嚴重,據(jù)公安部消防局統(tǒng)計,2000年全國共發(fā)生火災(zāi)189185起,死亡3021人,傷殘4404人,直接財產(chǎn)損失15.22億元。我國的火災(zāi)次數(shù)和火災(zāi)損失都呈上升趨勢,我國未來的火災(zāi)形勢不容樂觀。迅速采取有效措施,抑制火災(zāi)上升的勢頭,已成為黨、政府和全國人民普遍關(guān)心的問題。 近幾十年來,我國的高層建筑 發(fā)展 非常迅速,建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的問題也日益突出,這些都迫切需要進行結(jié)構(gòu)抗火性能的研究。 現(xiàn)代 建筑中大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu),根據(jù)已有的研究成果,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)(高溫)下鋼材和混凝土的強度、彈性模量等均隨溫度升高而下降,一般混凝土材料在400度以上、鋼材在300度以上,其力學性能嚴重惡化,高溫下材料性能的變化是結(jié)構(gòu)的承載力和耐火極限嚴重下降的一個主要原因。另外結(jié)構(gòu)受火時受火面溫度隨周圍環(huán)境溫度迅速升高,但由于混凝土的熱惰性,內(nèi)部溫度增長緩慢,截面上形成不均勻溫度場,而且溫度變化梯度也不均勻,導致不等的溫度變形和截面應(yīng)力重分布,這些變化都足以危及結(jié)構(gòu)的安全性,某些情況下會導致結(jié)構(gòu)失效。 2 建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究回顧 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的目的是保證建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)具有足夠的耐火時間,防止火災(zāi)時出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌。 2.1 建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究 建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究的目的是掌握建筑火災(zāi)發(fā)展 規(guī)律 ,主要了解氣體溫度變化及煙氣運動等規(guī)律,從而再現(xiàn)已發(fā)生火災(zāi)和預(yù)測未來火災(zāi)的情況,為建筑防火設(shè)計和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計提供 科學 依據(jù)。? 對建筑火災(zāi)發(fā)展過程進行實驗研究是一種較為直接、可靠的途徑。它一方面可以給出供計算用的一些經(jīng)驗、半經(jīng)驗性的模型,另一方面可以為人們從一般原理出發(fā)提出的 理論 和計算模型提供檢驗手段和可靠依據(jù)。1972年,在美國國家科學基金資助下,美國哈佛大學現(xiàn)代火災(zāi)科學之父Howard Emmons教授與工廠聯(lián)合研究公司對建筑火災(zāi)發(fā)展過程進行合作研究,其中進行了兩次足尺實體試驗。這項研究取得了三方面的重大成果:實驗方面,使用了新的儀器和數(shù)據(jù)處理方法,建立了現(xiàn)代火災(zāi)實驗標準;理論方面,建立了現(xiàn)在廣為知曉的區(qū)域火災(zāi)模型;數(shù)值方面,為哈佛大學的火災(zāi)模擬軟件提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。 2.2 建筑材料高溫下熱工性能和力學性能研究 建筑材料在高溫下的熱工性能參數(shù)以及力學性能參數(shù)是研究建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中反應(yīng)的基礎(chǔ)。材料的熱工性能參數(shù)包括熱傳導系數(shù)、比熱容、質(zhì)量密度以及熱膨脹系數(shù)等。 影響 混凝土熱傳導系數(shù)的因素有骨料類型、水分含量、混凝土的配合比以及溫度等。試驗表明,隨著溫度的升高,混凝土的熱傳導系數(shù)逐漸減小,混凝土的熱膨脹系數(shù)與骨料類型等因素有關(guān),并且還受試件尺寸、加熱速度等外部條件影響,不同研究者得出的結(jié)果差異較大。相對于混凝土的力學性能來說,混凝土的熱工性能研究還較少,但熱工性能參數(shù)對結(jié)構(gòu) 分析 結(jié)果影響還是比較大的,這方面還有很多工作要做。 2.3 建筑構(gòu)件內(nèi)溫度場研究 材料的力學性能與溫度密切相關(guān),所以,搞清構(gòu)件內(nèi)部各點的溫度變化過程是計算構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)反應(yīng)的前提。發(fā)生建筑火災(zāi)時,可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對流以及熱傳導方式傳遞給建筑構(gòu)件表面,再通過熱傳導向構(gòu)件內(nèi)部傳遞。構(gòu)件內(nèi)溫度場是一個隨時間變化的變溫度場,一般可通過對傅立葉導熱微分方程進行數(shù)值求解獲得構(gòu)件內(nèi)的溫度分布。有限單元法是計算構(gòu)件內(nèi)溫度場的一種理想方法。為了減少計算工作量,目前普遍假設(shè)梁、柱等細長構(gòu)件的溫度分布沿軸線方向無變化,把三維溫度場問題簡化成二維問題。 3 合理的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法 基于計算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計,可以免除傳統(tǒng)的基于試驗(經(jīng)驗)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法所存在的問題,目前已被各國普遍接受并在設(shè)計規(guī)范中采納。 3.1 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計要求 (1)在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計極限時間內(nèi),結(jié)構(gòu)的承載力Rd應(yīng)不小于各種作用產(chǎn)生的組合效應(yīng)Sm,即Rd≥Sm; (2)在規(guī)定的各種荷載組合下,結(jié)構(gòu)的耐火時間td應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限tm,即td≥tm; (3)火災(zāi)下,當結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻時,若結(jié)構(gòu)達到承載力極限狀態(tài)時的溫度為臨界溫度Td,則Td應(yīng)不小于在耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度Tm,即Td≥Tm。 上述三個要求實際上是等效的,進行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計時,滿足其一即可。 3.2 基于 計算 的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計 方法 (1)采用確定的防火措施; (2)計算構(gòu)件在確定的防火措施和耐火極限條件下的內(nèi)部溫度; (3)采用確定的高溫下材料的參數(shù),計算結(jié)構(gòu)中該構(gòu)件在外荷載的內(nèi)力; (4)由計算的溫度場確定等效截面和等效強度; (5)根據(jù)構(gòu)件和受載的類型,進行結(jié)構(gòu)抗火承載力極限狀態(tài)驗算; (6)當不滿足要求時,重復(fù)以上步驟。 4 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的 研究 方向 盡管 目前 在結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗和 分析 方面已經(jīng)開展了一些研究,但對了解和掌握結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)特性、提高結(jié)構(gòu)抗火性能、建立結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法方面仍有許多工作有待完善和進一步開展。主要體現(xiàn)在以下幾個方面: 4.1 材料性能 由于混凝土和鋼材本身化學成分的差異,在溫度 影響 下,材料力學性能有一定的離散性,必須通過一定數(shù)量的不同材料的試驗以確定其基本性能及變化特征。同時,通過材料性能試驗,尋找在高溫下性能優(yōu)良的材料,以提高結(jié)構(gòu)抗火能力。對目前國內(nèi)外進行的高溫材料試驗結(jié)果進行 總結(jié) ,并建立可供計算機程序用的材料高溫(火災(zāi))性能數(shù)據(jù)庫是火災(zāi)材料研究的一個重點。 4.2 熱傳導及溫度場分布 對鋼筋保護層厚度、表面防火材料使用的效果進行研究,以確定提高結(jié)構(gòu)抗火性能的有效途徑。 4.3 結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的可靠度分析 采用概率的概念來評估工程結(jié)構(gòu)的安全度(即可靠度)已被工程界廣泛接受,但對結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下如何確定其安全度仍有待研究。由于火災(zāi)發(fā)生的可能性、火災(zāi)的持續(xù)時間和峰值強度、發(fā)生火災(zāi)時結(jié)構(gòu)承受的荷載等并不確定,以及材料在溫度下性能的更趨離散等因素均會影響結(jié)構(gòu)的耐火性能。因此如何在設(shè)計中對這些因素進行綜合考慮,以確定其耐火安全度是今后面臨的一個重大課題。結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的可靠度分析也是對現(xiàn)有建筑物進行評估的一個重要方面,對今后房屋交易、保險等均有重大意義。 4.4 火災(zāi)后鑒定和修復(fù) 由于 經(jīng)濟 條件限制,我國有相當一部分建筑在設(shè)計上對防火技術(shù)措施未予考慮或考慮不夠周密,火災(zāi)后往往造成建筑結(jié)構(gòu)損傷、破壞或倒塌,造成的結(jié)構(gòu)破壞情況較多。通常火災(zāi)后所采取的處理措施是進行修復(fù)加固,但我國在這方面的研究起步較晚,目前尚無專門的法規(guī)。 參考 文獻 [1]? 中國 統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2001[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2002. [2]?中國統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2002[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2003. [3]?Craig Beyler. Professor Howard Emmons 1912-1988[J]Fire Technology, 1999, 35(1):1-3.- 1安全工程師考試輔導:礦山運輸及安全技術(shù)
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