田宏 陳禹卿

在各類工用民用建筑中，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)占有非常大的比重。但經(jīng)過火災(zāi)時(shí)，高溫場(chǎng)的作用后，鋼筋混凝上構(gòu)件發(fā)生十分嚴(yán)重的的材料性能的劣化，構(gòu)件內(nèi)部的內(nèi)力將重分布，使結(jié)構(gòu)的承載性能迅速削弱，并產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)變形，會(huì)危及結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致

結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損壞甚至造成整體倒塌。工用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、重量輕、抗震性能好等優(yōu)勢(shì)在工程中得到了廣泛應(yīng)用。又由于鋼材在400℃時(shí)屈服強(qiáng)度將急劇下降，只能達(dá)到在室溫下的一半，當(dāng)溫度達(dá)到約600℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)基本喪失全部的力學(xué)性能。因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的最大問題就是火災(zāi)影響。例如： 2001年“911”恐怖襲擊，恐怖分子劫持民航飛機(jī)撞擊世貿(mào)雙塔樓，爆炸造成世貿(mào)中心承重鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)層脫落，隨后的火災(zāi)使鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度性能大幅削減，導(dǎo)致著火樓層柱群失穩(wěn)，造成了導(dǎo)致世貿(mào)中心坍塌的慘劇，在這次災(zāi)難中共有3000多人死亡或失蹤。因此，研究建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能，在火災(zāi)發(fā)生后減損，減少傷亡也是我們應(yīng)該關(guān)注的研究?jī)?nèi)容。研究建筑結(jié)構(gòu)抗火強(qiáng)度的傳統(tǒng)方法，通常根據(jù)首先確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火分析。又由于建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)、施工和使用過程中比如存在的不確定性，傳統(tǒng)方法對(duì)其中定性分析得到的安全度不能給予更加明確的定量的解釋。其中安全系數(shù)的取值，根據(jù)工程事故的發(fā)生率的隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，這是以很多的材料浪費(fèi)和潛在的巨大損失為代價(jià)的。因此，用客觀的理性的評(píng)估方法來替代主觀的定性的評(píng)估方法是建筑技術(shù)的發(fā)展要求。

按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068一2001）中的規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性應(yīng)該包括安全性、適用性和耐久性。一般情況下這三者是相互關(guān)聯(lián)的，結(jié)構(gòu)的可靠性是可以通過以上的這些可靠性指標(biāo)來進(jìn)行定量的分析。盡管現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)范己包含結(jié)構(gòu)耐久性的概念，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并未考慮一些由于突發(fā)的偶然事件造成結(jié)構(gòu)性能發(fā)生的變化，影響結(jié)構(gòu)的安全性。由此可見，將可靠性理論應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗火研究無論是在理論研究方面還是實(shí)際工程上都有重要的研究?jī)r(jià)值。特別是通過對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)研究，建立一整套更加符合工程實(shí)際的，定量的建筑結(jié)構(gòu)抗火可靠性評(píng)估方法，分析火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗火可靠性，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠盡量減少由于破壞或倒塌所造成的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失，變得極為緊迫和必要。

一、火災(zāi)環(huán)境模型研究進(jìn)展

建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的研究主要可分為以下四個(gè)方面： 結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)研究，火災(zāi)環(huán)境研究、火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估與修復(fù)加固研究、抗火設(shè)計(jì)方法研究。人們?cè)谘芯拷ㄖY(jié)構(gòu)抗火分析與設(shè)計(jì)時(shí)，首先關(guān)注的是空氣溫度的分布及其隨時(shí)間的變化。最初研究人員通過多次試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)來取得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能并制訂了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線。目前國內(nèi)采用最多的是國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂的火災(zāi)升溫曲線，對(duì)于一般的室內(nèi)火災(zāi)，火對(duì)建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)等性能的影響性主要體現(xiàn)在轟燃現(xiàn)象發(fā)生以后，此時(shí)建筑物內(nèi)所有可燃物都在劇烈的燃燒，并且室內(nèi)空氣場(chǎng)分布均勻。各國學(xué)者通過對(duì)火災(zāi)的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納出幾種室內(nèi)火災(zāi)的空氣升溫過程，如馬忠誠模型、ASCE模型和歐洲規(guī)范模型等。

建筑材料的力學(xué)性能隨溫度升高而劣化的過程與其內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化密切相關(guān)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，燃燒物質(zhì)所釋放出的熱量通過輻射、對(duì)流以及傳導(dǎo)等方式將熱量傳遞到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面，同時(shí)也傳遞到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)部。但混凝土是一種熱惰性材料，它的熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，受火時(shí)混凝土內(nèi)部的溫度隨其距構(gòu)件表面距離增大而迅速減小。這種構(gòu)件內(nèi)部的溫度場(chǎng)隨著火災(zāi)時(shí)間不斷變化，一般可以用傅里葉導(dǎo)熱微分方程求解。

根據(jù)文獻(xiàn)，金賢玉給出了一種較為精確的計(jì)算構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的方法，采用差分法分析了受火的混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的情況。利用有限元法計(jì)算構(gòu)件內(nèi)溫度場(chǎng)也比較精準(zhǔn)，一般假設(shè)梁、柱等構(gòu)件的溫度沿軸線方向不變，將三維問題簡(jiǎn)化成二維問題?；馂?zāi)時(shí)構(gòu)件內(nèi)的溫度場(chǎng)求解是一個(gè)非線性瞬態(tài)問題。其中根據(jù)火災(zāi)時(shí)室內(nèi)溫度變化規(guī)律，利用熱傳導(dǎo)方程的方法得到了火災(zāi)時(shí)鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，并分析分析了樓板中的鋼筋構(gòu)件在火災(zāi)時(shí)的升溫規(guī)律，提出了火荷載密度、墻體熱惰性以及混凝土保護(hù)層的厚度等對(duì)樓板耐火極限的影響大小。利用有限差分的方法法對(duì)火災(zāi)下多高層建筑組合樓板中的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行了研究，并改進(jìn)了火災(zāi)下組合樓板內(nèi)部溫度場(chǎng)的計(jì)算方法，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下組合樓板內(nèi)部溫度變化的影響參數(shù)進(jìn)行分析，得到了簡(jiǎn)化公式。

對(duì)于鋼構(gòu)件來說，由于其本身的材料特性、力學(xué)特性，可分為輕型鋼構(gòu)件和重型鋼構(gòu)件。鋼材有極強(qiáng)的導(dǎo)熱性，因此可假設(shè)輕型鋼構(gòu)件同一截面上的各點(diǎn)溫度相同；而重型鋼構(gòu)件由于截面過大，則不能認(rèn)為截面上各點(diǎn)溫度完全相同。目前研究人員根據(jù)構(gòu)件單位長(zhǎng)度的表面積與體積之比來劃分輕型鋼構(gòu)件和重型鋼構(gòu)件。

二、火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性的研究進(jìn)展

目前，可靠度理論在工程應(yīng)用中已擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的各個(gè)步驟中。上世紀(jì)20年代開始，國際上的一些專家學(xué)者便開始對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性理論展開研究。到了70年代，可靠度評(píng)估方法成為了研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠性的十分關(guān)鍵的核心內(nèi)容。1986年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》，并在1998年發(fā)布了修訂版，推進(jìn)了結(jié)構(gòu)可靠度評(píng)估方法和設(shè)計(jì)理論的發(fā)展。早期的可靠度計(jì)算只考慮隨機(jī)變量的均值和方差，現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》；以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的是以可靠度理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，采用可靠度指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠性。

火災(zāi)作用下建筑結(jié)構(gòu)的可靠性分析的研究涉及的學(xué)科范圍較廣，目前國內(nèi)外相似研究領(lǐng)域的一些文獻(xiàn)為開展此項(xiàng)研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。總結(jié)了結(jié)構(gòu)性能劣化的原因，提出了一種與規(guī)范推薦的方法相協(xié)調(diào)的，考慮抗力隨時(shí)間變化的研究結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法。研究了構(gòu)件和系統(tǒng)的時(shí)變可靠性。通過具體算例說明最小抗力點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠度分析的關(guān)鍵點(diǎn)。提出了在不同大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的方法，計(jì)算了不同影響參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的影響，如環(huán)境不同、混凝土強(qiáng)度不同，保護(hù)層厚度不同等。分析了火災(zāi)時(shí)鋼筋混凝土梁截面的溫度場(chǎng)分布，建立了火災(zāi)后梁的抗力模型和極限狀態(tài)方程，通過可靠性指標(biāo)的變化，分析了不同受火時(shí)間對(duì)梁可靠度的影響。在的基礎(chǔ)上，考慮了荷載和抗力在火災(zāi)發(fā)生前隨時(shí)間衰減的動(dòng)態(tài)可靠性。分析了鋼筋混凝土柱的截面尺寸、長(zhǎng)細(xì)比、配筋率、強(qiáng)度以及保護(hù)層厚度等對(duì)火災(zāi)后混凝土柱的可靠度的影響。對(duì)火災(zāi)時(shí)升溫過程的影響參數(shù)的隨機(jī)性進(jìn)行了研究，構(gòu)建了影響參數(shù)的概率模型，并用蒙特卡洛法對(duì)升溫過程影響參數(shù)的隨機(jī)性進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] 混凝上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010一2002）.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2002

[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GBSOol7一2003）.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2003

[3] 范維澄，王清安，姜馮輝，周建軍等.火災(zāi)學(xué)簡(jiǎn)明教程.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版

社.199

[4] 李國強(qiáng)，殷穎智，蔣首超.火災(zāi)下組合樓板的溫度場(chǎng)分析.工業(yè)建筑.1999，29（12）：47-49P

[5] 貢金鑫.考慮抗力隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)可靠度分析.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).1998，19（5）：34-43頁