摘要：隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑火災(zāi)安全成為現(xiàn)代城市建設(shè)中的重要課題。本文基于火災(zāi)高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，深入探討了火災(zāi)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、韌性、變形性能及裂縫擴(kuò)展的作用機(jī)理，并提出了一種新的損傷評(píng)估模型。通過(guò)對(duì)上海市某高層商業(yè)綜合體火災(zāi)案例的分析，結(jié)合溫度場(chǎng)分布與結(jié)構(gòu)損傷分析，評(píng)估了火災(zāi)高溫作用下混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度。研究結(jié)果表明，火災(zāi)高溫會(huì)顯著降低混凝土的力學(xué)性能，溫度梯度對(duì)裂縫擴(kuò)展有著重要影響。

關(guān)鍵詞：建筑火災(zāi)；損傷評(píng)估；高溫效應(yīng)；消防策略

引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑火災(zāi)安全問(wèn)題日益受到重視。特別是在多功能商業(yè)綜合體等高層建筑中，火災(zāi)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響已成為建筑設(shè)計(jì)中的重要課題。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了火災(zāi)高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響。例如，蔣樹屏等[1]的研究表明高溫作用下混凝土的韌性和變形能力顯著下降。張輝等[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)溫度梯度是導(dǎo)致混凝土裂縫擴(kuò)展的重要因素。王瀟等[3]提出了基于損傷力學(xué)的評(píng)估模型。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，探討了火災(zāi)高溫對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、韌性、變形性能及裂縫擴(kuò)展的影響，通過(guò)對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目的分析，進(jìn)一步研究了火災(zāi)高溫作用下結(jié)構(gòu)性能劣化規(guī)律，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的修復(fù)提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

一、工程概況

本項(xiàng)目為一座位于城市中心的多功能商業(yè)綜合體，建筑總高度為80米，總建筑面積達(dá)到15萬(wàn)平方米，涵蓋了購(gòu)物中心、寫字樓、酒店及地下車庫(kù)等多種功能。建筑結(jié)構(gòu)為混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，采用C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土，樓板跨度最大達(dá)到16米。為了確保建筑在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全疏散與消防功能，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段就特別重視防火安全，遵循了《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)消防設(shè)計(jì)方案，建筑內(nèi)每層的消防疏散通道寬度至少為2米，每層均配置了不少于10臺(tái)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。項(xiàng)目的火災(zāi)危險(xiǎn)性經(jīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為較高等級(jí)，特別對(duì)結(jié)構(gòu)耐火性能的要求尤為嚴(yán)格。

二、火災(zāi)高溫作用下混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化機(jī)理

（一）混凝土的物理力學(xué)性能與火災(zāi)高溫的相互作用

混凝土作為一種復(fù)合材料，通常由水泥、骨料和水組成。在常溫下，混凝土表現(xiàn)出較好的抗壓強(qiáng)度與穩(wěn)定性。然而，當(dāng)混凝土暴露于火災(zāi)高溫下時(shí)，其物理力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化[4]。根據(jù)已有研究，混凝土的抗壓強(qiáng)度不僅隨溫度的升高而逐漸降低，這種降低還是非線性的。在溫度達(dá)到200°C時(shí)，混凝土的強(qiáng)度開始出現(xiàn)明顯下降，超過(guò)500°C時(shí)，抗壓強(qiáng)度損失可高達(dá)50%。這一現(xiàn)象主要是由于水泥中的化學(xué)成分在高溫下發(fā)生反應(yīng)，水分蒸發(fā)、骨料熱膨脹不均所致。假設(shè)在火災(zāi)初期，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度達(dá)到且大于200°C時(shí)，可以使用以下公式來(lái)描述溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響：

其中，fc（T）為高溫下的抗壓強(qiáng)度，fc（20）為常溫下的抗壓強(qiáng)度，a為溫度系數(shù)，T為溫度。根據(jù)不同混凝土配合比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，a取值在002—003之間。

（二）高溫對(duì)混凝土韌性與變形性能的影響

高溫對(duì)混凝土的韌性有著深遠(yuǎn)影響。研究表明，高溫下混凝土的韌性和變形性能將發(fā)生顯著下降。在溫度超過(guò)400°C時(shí)，混凝土的變形能力急劇下降，表現(xiàn)為脆性增加。這主要是由于水泥基體中水分的蒸發(fā)、骨料與水泥之間的粘結(jié)力減弱以及微觀裂縫的增多。通過(guò)對(duì)該工程項(xiàng)目中混凝土柱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在火災(zāi)高溫作用下，柱的位移會(huì)顯著增加。以該項(xiàng)目中某一柱為例，在火災(zāi)初期，柱體的溫度達(dá)到400°C時(shí)，位移增幅可達(dá)20%，而在600°C時(shí)，位移增幅可超過(guò)35%。此時(shí)，柱體的抗彎能力和穩(wěn)定性大大下降，極易發(fā)生失穩(wěn)或破壞。為了量化高溫對(duì)混凝土變形性能的影響，可以使用下列公式：

其中，ε（T）為高溫下的混凝土應(yīng)變，ε0為常溫下的應(yīng)變，β為溫度系數(shù)，T為溫度（單位°C）。研究結(jié)果顯示，β值通常為00005—00010，這意味著隨著溫度升高，混凝土的應(yīng)變也會(huì)線性增加，表明高溫條件下混凝土更易發(fā)生塑性變形。

（三）火災(zāi)條件下混凝土裂縫的形成與擴(kuò)展

在火災(zāi)高溫作用下，混凝土內(nèi)部的裂縫發(fā)展主要受溫度梯度、濕度變化和混凝土本身的微觀結(jié)構(gòu)影響。當(dāng)混凝土受熱時(shí)，由于溫度的不均勻分布，內(nèi)部產(chǎn)生的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的積累。隨著溫度的升高，混凝土內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽壓力，進(jìn)而促使裂縫形成。實(shí)驗(yàn)研究表明，溫度達(dá)到300°C時(shí)，混凝土中的水分開始顯著蒸發(fā)，裂縫的寬度可增加10倍以上，尤其是在骨料和水泥基體之間的界面[5]。裂縫擴(kuò)展的一個(gè)重要指標(biāo)是裂縫擴(kuò)展速度v。研究表明，在火災(zāi)初期，裂縫擴(kuò)展速度與溫度T的關(guān)系可通過(guò)下列公式描述：

其中，v0為初始裂縫擴(kuò)展速度，λ為溫度系數(shù)，T為溫度（單位°C）。通過(guò)對(duì)該工程項(xiàng)目的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，在火災(zāi)后30分鐘內(nèi)，裂縫擴(kuò)展速度可增加15倍，進(jìn)一步證明了高溫對(duì)裂縫形成與擴(kuò)展的促進(jìn)作用。

（四）溫度場(chǎng)分布及其對(duì)結(jié)構(gòu)劣化的影響

火災(zāi)高溫在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度和溫度分布對(duì)結(jié)構(gòu)的劣化程度起著決定性作用。通過(guò)對(duì)工程項(xiàng)目中一段混凝土梁的熱傳導(dǎo)分析，假設(shè)火災(zāi)發(fā)生30分鐘后，梁的表面溫度達(dá)到500°C，而內(nèi)部溫度仍維持在200°C左右。溫度差異會(huì)導(dǎo)致溫度梯度的出現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)熱應(yīng)力。為了描述這一溫度場(chǎng)分布，可以使用一維熱傳導(dǎo)方程：

其中，T（x，t）為位置x和時(shí)間t時(shí)的溫度，a為混凝土的熱擴(kuò)散系數(shù)，2T（x，t）x2為溫度的空間二階導(dǎo)數(shù)。根據(jù)分析，溫度梯度的形成將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的熱應(yīng)力分布不均，從而加速裂縫形成和擴(kuò)展，進(jìn)一步影響結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性。

（五）火災(zāi)高溫作用下混凝土內(nèi)部損傷評(píng)估與表征方法

為了有效評(píng)估火災(zāi)高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損傷，常采用基于損傷力學(xué)的模型來(lái)表征材料在高溫作用下的退化過(guò)程。損傷變量D的定義為：

其中，fc（T）為高溫下的抗壓強(qiáng)度，fc（20）為常溫下的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)此公式可以定量評(píng)估混凝土的損傷程度。當(dāng)損傷變量D達(dá)到05時(shí)，意味著混凝土的強(qiáng)度損失已達(dá)到50%。根據(jù)該工程項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，火災(zāi)高溫作用下的損傷評(píng)估模型表明，在600°C時(shí)，損傷變量D可達(dá)到04—06，顯示出結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的潛在劣化風(fēng)險(xiǎn)。

三、火災(zāi)高溫下的性能劣化評(píng)估與分析

（一）項(xiàng)目火災(zāi)回顧與數(shù)據(jù)收集

在本工程項(xiàng)目中，火災(zāi)發(fā)生在2019年夏季的一個(gè)高溫天氣?；馂?zāi)起源于地下車庫(kù)的一處電氣設(shè)備，火災(zāi)迅速蔓延至上層，導(dǎo)致部分混凝土結(jié)構(gòu)受熱嚴(yán)重?；馂?zāi)持續(xù)時(shí)間為60分鐘，火災(zāi)高溫范圍達(dá)到了800°C以上。在火災(zāi)發(fā)生后，工程團(tuán)隊(duì)及時(shí)對(duì)火災(zāi)區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)檢查，并收集了相關(guān)數(shù)據(jù)，包括混凝土表面溫度、裂縫寬度、位移量和損傷情況。在火災(zāi)后的24小時(shí)內(nèi)，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄了混凝土表面及內(nèi)部的溫度變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，在火災(zāi)高溫作用下，混凝土梁的表面溫度峰值達(dá)到750°C，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度約為450°C。此后，溫度逐漸下降，由于溫度場(chǎng)的非均勻性，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部不同區(qū)域的溫度恢復(fù)速度不同，進(jìn)而影響了結(jié)構(gòu)的損傷程度。表1總結(jié)了火災(zāi)后24小時(shí)內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。從表中可以看出，火災(zāi)高溫的影響在不同位置表現(xiàn)出較大差異，尤其是在靠近火源的A點(diǎn)和B點(diǎn)，裂縫寬度和位移變化均較為顯著，表明這些區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)受損較為嚴(yán)重。

（二）火災(zāi)高溫作用下結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)與損傷分析

溫度場(chǎng)的非均勻性直接導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生，裂縫隨著溫度的升高而擴(kuò)展。通過(guò)分析火災(zāi)后混凝土裂縫的擴(kuò)展情況，發(fā)現(xiàn)裂縫的寬度與溫度密切相關(guān)。為了量化溫度場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的影響，研究使用損傷變量計(jì)算式（5）來(lái)表征不同區(qū)域的損傷程度。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，計(jì)算出火災(zāi)高溫作用下不同區(qū)域的損傷程度，表2列出了關(guān)鍵區(qū)域的損傷變量。根據(jù)損傷評(píng)估模型，A點(diǎn)的損傷變量達(dá)到了060，表明該區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重退化，承載力大幅下降，而D點(diǎn)的損傷變量?jī)H為020，表明該區(qū)域受損較輕。

其中，R（T）為高溫下的抗火性，R0為常溫下的抗火性，D為損傷變量。根據(jù)模型計(jì)算，當(dāng)D達(dá)到060時(shí)，抗火性將降至原來(lái)的40%。這一結(jié)果表明，火災(zāi)高溫區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)喪失了大部分的承載能力，亟須進(jìn)行加固與修復(fù)。

四、消防對(duì)策與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

（一）火災(zāi)高溫下的消防應(yīng)急響應(yīng)策略

在本項(xiàng)目的火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中，消防團(tuán)隊(duì)通過(guò)高溫?zé)岢上窦夹g(shù)對(duì)火源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合溫度分布圖精準(zhǔn)定位火災(zāi)區(qū)域。這一過(guò)程能夠快速識(shí)別火源，并清晰地了解火災(zāi)蔓延路徑。根據(jù)精準(zhǔn)的火源定位和路徑識(shí)別，消防團(tuán)隊(duì)有針對(duì)性地啟用了水霧噴灑系統(tǒng)與高壓滅火設(shè)備。這些滅火技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在火災(zāi)初期有效控制溫度升高，并減緩火源的蔓延速度。同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)中耐火性較差的部位，如混凝土梁、柱等關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)，消防團(tuán)隊(duì)特別加強(qiáng)了滅火保護(hù)。通過(guò)大流量水霧系統(tǒng)和高壓滅火裝置，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)保護(hù)，精準(zhǔn)地控制火災(zāi)溫度，避免結(jié)構(gòu)裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展和表面剝落。這一系列精準(zhǔn)的消防應(yīng)急響應(yīng)與協(xié)同策略，使火災(zāi)初期的高溫得到了及時(shí)有效的控制，為建筑物的整體結(jié)構(gòu)安全提供了最大限度的保護(hù)（見(jiàn)圖1）。

（二）提高混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

為了增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的耐受能力，設(shè)計(jì)階段可以采取多項(xiàng)技術(shù)措施。首先，選用耐高溫性能更強(qiáng)的混凝土材料是提高結(jié)構(gòu)耐火性的有效途徑。采用高強(qiáng)度耐火混凝土或在混凝土中加入高溫耐火性添加劑，如鋁酸鹽水泥或膨脹型添加劑，可以在高溫作用下顯著提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這類材料的抗火性能可有效延緩火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而為火災(zāi)發(fā)生時(shí)提供更多的疏散和救援時(shí)間。其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)增設(shè)耐火隔離層、外包防火涂料等方式來(lái)增強(qiáng)火災(zāi)高溫下的保護(hù)性。例如，在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂覆耐火涂料，可以有效阻止火災(zāi)時(shí)熱量的傳遞，減緩混凝土表面溫度的迅速升高，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間。此外，在設(shè)計(jì)中，可以增加混凝土表面的保溫層，利用多層材料的組合來(lái)降低熱量的傳導(dǎo)速度，從而降低高溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。最后，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)火災(zāi)后的檢查與維護(hù)機(jī)制。通過(guò)對(duì)建筑物進(jìn)行定期的火災(zāi)安全檢查，尤其是對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的溫度和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)和損傷，采取必要的加固和修復(fù)措施，確保建筑物在經(jīng)歷火災(zāi)后仍能保持良好的使用狀態(tài)和安全性能。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)建筑火災(zāi)中高溫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響的研究，提出了一種新的損傷評(píng)估模型，并結(jié)合實(shí)際火災(zāi)案例提出了對(duì)應(yīng)的消防策略。研究結(jié)果表明，火災(zāi)高溫不僅顯著降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度和韌性，還促進(jìn)了裂縫的擴(kuò)展。溫度梯度是影響混凝土裂縫擴(kuò)展速度的重要因素，基于損傷力學(xué)的評(píng)估模型能更為準(zhǔn)確地量化結(jié)構(gòu)損傷，為實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)加固與修復(fù)提供了有力的理論支持。未來(lái)的研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注高溫作用下混凝土的微觀損傷機(jī)制，并進(jìn)一步完善火災(zāi)高溫作用下的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估與消防技術(shù)。

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