摘要：總結(jié)了高聳結(jié)構(gòu)火災(zāi)發(fā)生的主要原因，分析了國內(nèi)外對混凝土和鋼材這兩種主要的結(jié)構(gòu)材料的抗火研究進展�；诮Y(jié)構(gòu)抗火的設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)抗火研究的趨勢及其對關(guān)鍵問題作了總結(jié)。
1. 概述
高聳結(jié)構(gòu)指的是高度較大、橫斷面相對較小的結(jié)構(gòu)；一般以水平荷載，特別是風荷載為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)。由于高聳結(jié)構(gòu)普遍較高，垂直距離較長，塔內(nèi)功能復(fù)雜人員集中(多為觀光結(jié)構(gòu))，在遇到火災(zāi)的情況下，人員不宜疏散且消防人員登高撲救困難。加之高聳結(jié)構(gòu)多為全鋼結(jié)構(gòu)，使其火災(zāi)危險性大大增加。高聳結(jié)構(gòu)中常見的鋼結(jié)構(gòu)電視塔的火災(zāi)主要發(fā)生在塔樓部分，一般距地面200m以上，而且設(shè)有旋轉(zhuǎn)餐廳、游覽觀光層、設(shè)備用房等。在鋼結(jié)構(gòu)無防火保護或防火保護不徹底的情況下，火災(zāi)可能引起整個電視塔的結(jié)構(gòu)性坍塌。從已有火災(zāi)資料來看，引起火災(zāi)的原因主要有以下幾種情況：
(1)電路設(shè)備老化。2000年，塔高540米的歐洲最高的電視塔，也是俄羅斯莫斯科市最著名的觀光景點奧斯坦金諾電視塔突然起火燃燒，導(dǎo)致全市電視節(jié)目停播。據(jù)事后調(diào)查分析，火災(zāi)的原因在于傳輸發(fā)射信號的高能電纜明顯超負荷所致，電視塔內(nèi)部電纜饋線過載使電纜過熱起火，而起火后3個小時才關(guān)閉電源則導(dǎo)致了火勢的蔓延�；馂�(zāi)產(chǎn)生的高溫使電視塔的加固鋼索受到不同程度的損壞。大火同時將電視塔的一個工作層徹底燒毀，一根距地面136米處的主要承重鋼梁也受到嚴重損壞。
(2)雷擊。由于高聳結(jié)構(gòu)普遍較高，雷擊也是引起火災(zāi)的一個重要原因。2002年，位于沈陽市沈河區(qū)青年大街與濱河路交匯處的遼寧彩電塔內(nèi)部40米至60米處起火，經(jīng)消防官兵2個多小時的全力撲救，火勢被控制無人員傷亡。此外，2010年4月13日，上海東方明珠塔頂部起火，1小時20分鐘之后，撲救工作才基本結(jié)束。塔頂起火的原因是因為強雷擊中塔頂發(fā)射天線，引起天線外罩燃燒。
(3)人為因素。施工引起的火災(zāi)正逐漸成為高聳結(jié)構(gòu)火災(zāi)的主要原因之一。2009年，廣州新電視塔因工人違章燒焊，引燃內(nèi)部裝修材料。起火點位于新電視塔樓約334米高的65層，短時間燃燒面積達300平方米，幾公里外均可見塔身冒出滾滾濃煙。
2. 結(jié)構(gòu)材料抗火研究
火災(zāi)對建筑物的影響源于火災(zāi)高溫對結(jié)構(gòu)材料的性能特別是力學性能具有顯著的影響。如結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度和彈性模量隨溫度的上升而下降，當溫度超過550℃時，普通結(jié)構(gòu)用鋼材將喪失部分強度和剛度�；馂�(zāi)時，建筑室內(nèi)的空氣溫度半小時內(nèi)可達800～1200℃，因此，無保護的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中極易受到損害。另外，混凝土在火災(zāi)高溫下會爆裂，其強度和剛度也會降低。2001年“9.11”事件中紐約世貿(mào)中心兩座110層411高的鋼結(jié)構(gòu)大樓因飛機撞擊后發(fā)生的火災(zāi)而倒塌，造成2830人死亡。2001年5月臺灣東方科學園鋼結(jié)構(gòu)大樓(30層)發(fā)生火災(zāi)，頂部數(shù)層的鋼梁發(fā)生局部屈曲，樓層最大撓度達30cm以上，鋼梁與鋼柱連接發(fā)生斷裂破壞。火災(zāi)造成的結(jié)構(gòu)破壞，除造成人員傷亡以及直接經(jīng)濟損失外，還可能造成更大因結(jié)構(gòu)功能失效的間接經(jīng)濟損失。國內(nèi)外統(tǒng)計表明，火災(zāi)引起結(jié)構(gòu)失效造成的間接經(jīng)濟損失，約為火災(zāi)直接損失的3倍。可見，進行結(jié)構(gòu)抗火理論研究有重要意義，通過系統(tǒng)的理論研究，建立科學的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法，以避免因結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中破壞或倒塌所造成的人員傷亡，并減少因結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞或倒塌所造成的經(jīng)濟損失。
2.1 混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究
為保證結(jié)構(gòu)抗火安全，國際上從20世紀50年代開始重視結(jié)構(gòu)抗火研究。波特蘭水泥協(xié)會、美國混凝土協(xié)會，美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會、歐洲國際混凝土協(xié)會先后成立混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究小組，主要研究了混凝土的高溫材性，梁、柱和樓板的抗火性能與計算方法及框架的火災(zāi)反應(yīng)。國內(nèi)也對混凝土的受火性能及反應(yīng)進行了一系列研究。
國內(nèi)外學者都給出了混凝土和高強度混凝土的熱工性能(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、質(zhì)量密度和熱膨脹系數(shù))的函數(shù)表達式。由于實驗方法的不一致和材料本身的離散性，不同學者給出的函數(shù)表達式大致規(guī)律基本相同，但相互之間偏差較大，故在此不再贅述。此外，有關(guān)混凝土表面與周圍氣體的對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù)，不同學者給出的結(jié)果偏差也較大。國內(nèi)外學者對高溫下混凝土的力學特性進行了大量研究。實驗結(jié)果表明，高溫下混凝土的力學性能總體上呈現(xiàn)隨溫度升高逐漸劣化的趨勢。主要表現(xiàn)為隨著溫度的升高，混凝土的強度和彈性模量逐漸降低—其中彈性模量的降低速率通常比強度更大，混凝土的峰值應(yīng)變逐漸增大，混凝土的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線越來越扁平，鋼筋和混凝土的粘結(jié)強度下降，極限滑移量增加，混凝土的徐變明顯加快，在高溫下會產(chǎn)生瞬態(tài)熱應(yīng)變。高溫下混凝土在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的抗壓強度也有相關(guān)的試驗研究報道，在相應(yīng)的應(yīng)力比和溫度水平下，混凝土的雙軸抗壓強度要高于相應(yīng)的單軸抗壓強度。目前尚未見高溫下混凝土三軸應(yīng)力狀態(tài)下的強度試驗研究報道。溫度應(yīng)力途徑對混凝土的高溫本構(gòu)關(guān)系影響較大。高溫下混凝土的本構(gòu)關(guān)系是混凝土高溫數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，混凝土的高溫本構(gòu)關(guān)系研究一直是國內(nèi)外研究的熱點。圖1和圖2分別給出了高溫后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線和40MPa混凝土高溫后應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗與理論計算的對比結(jié)果。
由于高強度混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)非常致密，阻礙了高溫下內(nèi)部蒸汽壓力的有效釋放，導(dǎo)致火災(zāi)過程中常常出現(xiàn)嚴重的爆裂現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，火災(zāi)作用下高強度混凝土構(gòu)件的表面爆裂深度常�？珊w整個鋼筋保護層。爆裂問題的關(guān)鍵是定量確定爆裂發(fā)生的時間和爆裂深度。由于影響高強度混凝土高溫爆裂的因素十分復(fù)雜，如含水率、升溫速率、水灰比、混凝土強度等級、外加預(yù)應(yīng)力、構(gòu)件截面尺寸、骨料種類、鋼筋保護層厚度、養(yǎng)護方式、養(yǎng)護時間等。目前國內(nèi)外學者雖然進行了大量試驗，但試驗結(jié)果比較離散，尚無法較準確地建立起爆裂發(fā)生時間及爆裂深度與各主要影響因素之間的定量關(guān)系。目前國際上已有能夠測量混凝土內(nèi)部蒸汽壓的試驗裝置，以及模擬混凝土內(nèi)部溫度分布和蒸汽壓力分布的熱和質(zhì)量傳遞耦合數(shù)學模型，這些為火災(zāi)下高強混凝土爆裂機理的深入研究奠定了基礎(chǔ)。
2.2 鋼結(jié)構(gòu)抗火研究
掌握高溫條件下結(jié)構(gòu)鋼的性能是確定火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能的必要條件。與鋼結(jié)構(gòu)抗火有關(guān)的材料特性主要包括強度(屈服強度、極限強度)、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱等熱工參數(shù)。
國內(nèi)外對高溫下結(jié)構(gòu)鋼的材料特性進行較多的試驗研究，絕大部分的是進行恒溫條件的拉伸試驗，另有少量的恒載條件下的升溫試驗，試驗得到了常用的結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度和極限強度與溫度的關(guān)系，分別以表格和擬合公式的形式給出，由于高溫條件下結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)很強的非線性，而對高溫下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形限制普遍比較寬松，因此對于如何確定高溫下結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度沒有統(tǒng)一的標準，導(dǎo)致各試驗得出高溫下結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度相差比較大，尤其是在400～550℃范圍時，所得的屈服強度折減系數(shù)相差很大，BSI標注和Euro code采用的是對應(yīng)不同應(yīng)變標準的屈服強度，而極限抗拉強度的結(jié)果都比較接近。有關(guān)結(jié)構(gòu)鋼在高溫下完整的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的試驗數(shù)據(jù)報道不多，關(guān)于彈性模量的試驗細節(jié)報道也不多，普遍應(yīng)用的是ECCS建議中采用的結(jié)果。我國對常用的Q235、Q345鋼及I、II級混凝土用鋼筋在高溫下的性能進行了試驗研究，積累了不少試驗數(shù)據(jù)，由于對應(yīng)變傳感器的要求比較高，目前國內(nèi)外對于高溫下結(jié)構(gòu)鋼材料特性參數(shù)的取值都是各自根據(jù)自己的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計擬合得到，以表格和擬合公式的形式給出，確定這些參數(shù)還沒有查到有文獻對高溫下材料強度取值的可靠度水平進行分析和考慮。
熱膨脹系數(shù)是結(jié)構(gòu)抗火性能中一個很重要的參數(shù)，材料熱膨脹系數(shù)的測試對測試儀器的傳感器精度有很高的要求，目前國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)鋼和高強螺栓材料的熱膨脹系數(shù)進行過測試，結(jié)構(gòu)鋼的膨脹系數(shù)隨溫度變化，溫度越高熱膨脹系數(shù)越大。關(guān)于高溫條件下結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能，國外曾進行相應(yīng)的試驗研究，研究結(jié)果也被BSI和Euro code等標準采納，一般認為當鋼材的溫度不超過600℃，升溫速度不小于5℃.min-1時，蠕變可以不單獨考慮，而隱含在標準的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中，但是實際火災(zāi)中，鋼材的溫度和升溫速度可能要超過這個范圍，日本學者給出高溫下結(jié)構(gòu)鋼的蠕變的計算方法。但是總的來說，對高溫鋼結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能的研究不是很充分，尤其在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，材料的蠕變和松弛對結(jié)構(gòu)的性能有重要影響。圖3給出了鋼材的高溫屈服強度與室溫屈服強度之比以及高溫彈性模量與室溫彈性模量之比。
目前進行鋼結(jié)構(gòu)材料高溫特性試驗都是在按恒溫加載或恒溫兩種溫度荷載路徑進行，試驗結(jié)果的表達也是主要給出單一溫度下的材料特性參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變-溫度關(guān)系函數(shù)，但因高溫下結(jié)構(gòu)鋼呈現(xiàn)很強的塑性，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本來就與荷載路徑有關(guān)，同時還要考慮熱膨脹的影響，要給出一個統(tǒng)一的應(yīng)力—應(yīng)變—溫度函數(shù)非常困難，為便于應(yīng)用，從塑性力學的原理，根據(jù)材料是出于加載或卸載狀態(tài)給出應(yīng)力—應(yīng)變的增量關(guān)系應(yīng)該更便于結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用。
此外，國內(nèi)外學者對鋼構(gòu)件的抗火性能、鋼結(jié)構(gòu)整體抗火性能，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能進行了一系列的實驗研究和理論分析。
3. 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法
結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計應(yīng)滿足如下要求：結(jié)構(gòu)抗火能力≥結(jié)構(gòu)抗火要求。
按這一要求，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法可分為：
(1)基于試驗的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)抗火能力有標準結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標準升溫試驗確定；結(jié)構(gòu)抗火需求根據(jù)建筑的重要性及火災(zāi)的危險性，考慮構(gòu)件的重要性，按構(gòu)件以菜單的方式以耐火時間的形式在規(guī)范中給出；
(2)基于計算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法。對傳統(tǒng)方法中結(jié)構(gòu)抗火能力的確定進行改進，考慮構(gòu)件的受力大小與受力形式、構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件的約束形式對構(gòu)件抗火能力的影響，利用熱傳導(dǎo)理論和結(jié)構(gòu)理論通過分析確定構(gòu)件的抗火能力，更符合客觀實際；
(3)性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法。對結(jié)構(gòu)抗火需求進行改進，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對象，直接以人員安全和火災(zāi)經(jīng)濟損失最小為目標，確定結(jié)構(gòu)抗火需求；另考慮實際火災(zāi)升溫及結(jié)構(gòu)整體性能對結(jié)構(gòu)抗火能力的影響。
由于性能化方法以結(jié)構(gòu)抗火需求為目標，最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的實際抗火能力，因此是一種科學先進的抗火設(shè)計方法。20世紀80年代和90年代英國和歐洲分別在BS5950 Part 8和EC3與EC4規(guī)范中采用傳統(tǒng)改進方法進行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計。我國在現(xiàn)行的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》中仍采用傳統(tǒng)方法進行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計，在2000年頒布的上海市標準《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》中，首次采用了傳統(tǒng)改進法進行鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計，但關(guān)于結(jié)構(gòu)抗火安全的性能化設(shè)計方法，是同濟大學在國內(nèi)外較早倡導(dǎo)的。
4. 結(jié)構(gòu)抗火研究趨勢及關(guān)鍵科學問題
采用更精細的高溫材料模型，模擬真實結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)，是結(jié)構(gòu)抗火計算理論的發(fā)展趨勢�？紤]建筑物的真實火災(zāi)特性，基于整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)，進行結(jié)構(gòu)火災(zāi)風險評估，并以保障建筑物消防人員安全和降低結(jié)構(gòu)抗火成本為目標，確定結(jié)構(gòu)抗火性能指標，進行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計，是結(jié)構(gòu)抗火安全評價與抗火設(shè)計的發(fā)展趨勢。而要對結(jié)構(gòu)抗火理論進行驗證，發(fā)展新的結(jié)構(gòu)抗火試驗技術(shù)仍十分必要。為此，需重點開展下列科學問題研究。
4.1 高溫下與高溫后材料特性的深入研究
多軸應(yīng)力下高溫材料特性、升溫和降溫反復(fù)作用對材料特性的影響、高溫下加載與卸載對材料特性的影響的試驗研究和理論分析；高溫下與高溫后材料力學性能定量演變規(guī)律的精細化研究，以及隨機特性的定量描述；高溫下與高溫后高強度混凝土爆裂規(guī)律和力學性能的定量研究。
4.2 現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)行為研究
高強混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、異型柱混凝土結(jié)構(gòu)、已加固混凝土結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)行為與災(zāi)后性能研究；現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)中構(gòu)件抗火性能的定量化研究，以及相應(yīng)的構(gòu)件耐火設(shè)計方法。
4.3 基于性能及可靠度的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法研究
結(jié)構(gòu)抗火的性能化目標；滿足性能化目標的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計標準；結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計中“抗力”和“荷載效應(yīng)”的概率模型，以及模型參數(shù)隨溫度的定量變化規(guī)律；結(jié)構(gòu)抗火的目標可靠指標。
4.4 結(jié)構(gòu)火災(zāi)溫度效應(yīng)研究
大空間建筑火災(zāi)升溫模型；大跨度結(jié)構(gòu)受火升溫分析與實用計算方法；多高層結(jié)構(gòu)受火升溫分析與實用計算方法。
4.5 結(jié)構(gòu)整體受火性能研究
火災(zāi)作用下結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的工作機理研究；火災(zāi)下大跨度結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)及倒塌破壞機制研究；火災(zāi)下多高層結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)及倒塌破壞機制研究；火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)樓蓋薄膜效應(yīng)及坍塌破壞機制研究。
4.6 結(jié)構(gòu)火災(zāi)風險性能化評估方法研究
火災(zāi)下結(jié)構(gòu)破壞對人員逃生影響的風險評估；考慮火災(zāi)結(jié)構(gòu)破壞的直接與間接經(jīng)濟損失的結(jié)構(gòu)最優(yōu)防火保護的經(jīng)濟性評估。
4.7 結(jié)構(gòu)抗火試驗新技術(shù)研究
大型結(jié)構(gòu)縮尺模型抗火試驗技術(shù)；基于子結(jié)構(gòu)概念和聯(lián)機試驗思路的整體結(jié)構(gòu)耐火試驗技術(shù)研究。
5 . 結(jié)論
本文總結(jié)了高聳結(jié)構(gòu)火災(zāi)發(fā)生的主要原因，并詳細分析了國內(nèi)外對混凝土和鋼材這兩種主要的結(jié)構(gòu)材料的抗火研究進展�；诮Y(jié)構(gòu)抗火的設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)抗火研究的趨勢及其中的關(guān)鍵問題作了總結(jié)。
(上海興盛消防工程有限公司 汪平)
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