建筑结构抗火设计研究

　　（安新县市政建设有限公司，河北 保定 071000）
　　【摘 要】本文阐述了建筑火灾的危害性，针对我国目前的结构抗火设计的缺点进行论述，并提出高层建筑的抗火方法。
　　【关键词】结构设计；抗火研究；材料性能
　　一、火灾的危害
　　近几十年来，我国的高层建筑发展非常迅速，建筑结构火灾的问题也日益突出，这些都迫切需要进行结构抗火性能的研究。现代建筑中大部分采用钢筋混凝土结构和钢结构作为承重结构，根据已有的研究成果，钢筋混凝土结构在火灾（高温）下钢材和混凝土的强度、弹性模量等均随温度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、钢材在300度以上，其力学性能严重恶化，高温下材料性能的变化是结构的承载力和耐火极限严重下降的一个主要原因。另外结构受火时受火面温度随周围环境温度迅速升高，但由于混凝土的热惰性，内部温度增长缓慢，截面上形成不均匀温度场，而且温度变化梯度也不均匀，导致不等的温度变形和截面应力重分布，这些变化都足以危及结构的安全性，某些情况下会导致结构失效。
　　二、建筑结构抗火能力的研究
　　结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。
　　建筑火灾过程研究：建筑火灾发展过程研究的目的是掌握建筑火灾发展规律，主要了解气体温度变化及烟气运动等规律，从而再现已发生火灾和预测未来火灾的情况，为建筑防火设计和结构抗火设计提供科学依据。对建筑火灾发展过程进行实验研究是一种较为直接、可靠的途径。它一方面可以给出供计算用的一些经验、半经验性的模型，另一方面可以为人们从一般原理出发提出的理论和计算模型提供检验手段和可靠依据。1972年，在美国国家科学基金资助下，美国哈佛大学现代火灾科学之父Howard Emmons教授与工厂联合研究公司对建筑火灾发展过程进行合作研究，其中进行了两次足尺实体试验。这项研究取得了三方面的重大成果：实验方面，使用了新的仪器和数据处理方法，建立了现代火灾实验标准；理论方面，建立了现在广为知晓的区域火灾模型；数值方面，为哈佛大学的火灾模拟软件提供了可靠的数据支持。
　　建筑材料高温下热工性能和力学性能研究：建筑材料在高温下的热工性能参数以及力学性能参数是研究建筑结构在火灾中反应的基础。材料的热工性能参数包括热传导系数、比热容、质量密度以及热膨胀系数等。影响混凝土热传导系数的因素有骨料类型、水分含量、混凝土的配合比以及温度等。试验表明，随着温度的升高，混凝土的热传导系数逐渐减小，混凝土的热膨胀系数与骨料类型等因素有关，并且还受试件尺寸、加热速度等外部条件影响，不同研究者得出的结果差异较大。相对于混凝土的力学性能来说，混凝土的热工性能研究还较少，但热工性能参数对结构分析结果影响还是比较大的，这方面还有很多工作要做。
　　建筑构件内温度场研究：材料的力学性能与温度密切相关，所以，搞清构件内部各点的温度变化过程是计算构件及结构在火灾中结构反应的前提。发生建筑火灾时，可燃物释放的热量通过热辐射、热对流以及热传导方式传递给建筑构件表面，再通过热传导向构件内部传递。构件内温度场是一个随时间变化的变温度场，一般可通过对傅立叶导热微分方程进行数值求解获得构件内的温度分布。有限单元法是计算构件内温度场的一种理想方法。为了减少计算工作量，目前普遍假设梁、柱等细长构件的温度分布沿轴线方向无变化，把三维温度场问题简化成二维问题。
　　三、高层建筑钢结构的防火措施
　　对于高层建筑钢结构，除了进行基本的抗火设计，还必须考虑可行的防火保护措施，将两者紧密的结合起来。钢结构防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。常用防火措施现行基本有以下几种：
　　（一）喷涂法
　　该方法采用专门设备将一定厚度防火涂料直接喷在钢结构构件表面上，具有造价较低、施工快速、复杂的细部亦容易覆盖等优点，视防火层厚度的大小抗火时间也有所不同，最高可达4个小时。但由于喷涂表面不平整，影响美观。故适用于比较隐蔽的钢构件。防火涂料一般由硅石添加粘结剂或矿物纤维制成。
　　（二）防火板隔离法
　　将表面平整的防火材料板采用机械方法螺栓连接或捆扎环绕固定在钢构件的四周，一般做成箱状，将构件和周围火环境隔离，以达到降低构件的受热速度，确保构件在一定的防火时效内不致达到其极限温度。由于防火板可在工厂批量生产，所以具有厚度一致、品质保证、干净无污染等优点。其外表平整、美观，故较为适用于外露构件如钢柱的防火处理，大部分产品抗火时间可达到4小时。但对于结构复杂的细部施工较困难，装配速度较慢。
　　（三）膨胀漆覆盖法
　　将一定厚度的膨胀漆采用喷涂、刷或抹的方式在经过一定处理的构件表面形成一层保护膜，最高可满足2小时的抗火时间要求。膨胀漆防火材料覆盖层遇高温时能够自然澎胀成泡沫状，形成一层很厚的隔热毯，其厚度可达原防火层厚度的数十倍，以降低钢构件的升温速率。该方法可作为钢构件的表面装修，具有施工迅速且易于在復杂的结构细部施工等优点，但大都不适合潮湿的环境，仅适用于干燥的室内环境。视材料防火性能的不同，该方法造价可高可低。
　　（四）水泥砖块填充法
　　对于某些截面的H型钢柱，在其翼缘和腹板之间的空隙处填入水泥砖以降低构件表面的曝火面积，同时使断面上产生不同的温度区域，从而达到降低构件的受热速率，提高其抗火性能的目的。单独采用该方法可能达到30分钟的抗火时间，如果需要更高的抗火时效，则须对暴露的钢构件表面施以其它的防火处理。
　　（五）水冷却法
　　将空心的钢柱（或钢梁）连成管网，其内充满含抗冻剂、防锈剂的水溶液，通过着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带走；也可以设置自动水淋装置，在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动喷水，在钢构件表面形成一道致密的连续流动的水膜，从而起到防火保护作用。
　　高层建筑钢结构的防火保护方法并不是单单用上面的某一种方法，而是采用多法结合作用。现在高层或超高层钢结构往往设置几道防火防线，一般以喷淋法为第一道防线，以防火板隔离法和喷涂法为第二、第三道防线等。
　　四、结论
　　总而言之，现如今建筑结构抗火设计已经取得了一定的研究成绩。但是还有着很多部分需要我们去解决。以目前我国的钢结构抗火设计为例，现如今还是缺乏着具体的、系统的方法及要求。因此，对于我国的抗火设计而言，还需要不断的实践和研究来进行完善。
　　【参考文献】
　　[1]方垒，徐伟良. 建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究[J]. 火灾科学，2011，（03）：146-151.
　　[2]李国强. 建筑钢结构抗火设计与防火保护措施[J]. 城市住宅，2009，（06）：90-91.
　　[3]陈长坤，肖荣. 性能化防火设计在特殊建筑结构抗火中的应用[J]. 工业建筑，2008，（S1）：99-102+109.
　　[4]李国强，李兆治. 钢结构性能化抗火设计的初步设想[J]. 消防科学与技术，2004，（01）：46-48.
　　[5]董新明，亓延军. 由典型火灾论钢结构建筑防火与抗火设计[J]. 消防科学与技术，2002，（05）：46-49.：