摘要：地震、火災(zāi)發(fā)生后極易引發(fā)建筑倒塌，進而引發(fā)人員傷亡，通過對地震和火災(zāi)環(huán)境下不同建筑結(jié)構(gòu)分別進行抗倒塌性能分析，并對燃燒時間、位移、傾角、溫度、壓力、方向等現(xiàn)有建筑倒塌技術(shù)指標(biāo)及其測試方法進行具體闡述，為建筑倒塌監(jiān)測提供參考。

關(guān)鍵詞：火場環(huán)境；建筑結(jié)構(gòu)；抗倒塌性能；結(jié)構(gòu)強度

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）09-0013-03

地震作為一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，其突發(fā)性、災(zāi)害性、社會性及整個過程影響的長期性，相較于其他災(zāi)害更為顯著，而地震后建筑物倒塌引起的人員傷亡是最為突出的問題。例如，2023年摩洛哥地震[1]造成19095座房屋倒塌、2960人死亡；2023年土耳其地震[2]已有113000余人受傷、57000人死亡；2008年汶川地震[3-4]造成倒塌房屋650萬余間，69227人傷亡；2023年甘肅積石山地震[5]造成倒塌房屋14939間，受損房屋207204間，死亡117人，受傷781人?；馂?zāi)的發(fā)生頻率居各種災(zāi)害之首，而建筑倒塌就是火災(zāi)產(chǎn)生的次生災(zāi)害，給消防人員造成很大的危險。2003年湖南省衡陽市衡州大廈火災(zāi)[6]中，大樓第3、4單元突然整體倒塌，造成20名消防員死亡；2015年哈爾濱“1·2”太古街727號倉庫內(nèi)紅日百貨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體倒塌[7]，造成5名消防員犧牲、14人受傷。

1 地震下不同建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌性能分析

我國《建筑抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)防目標(biāo)是“小震不壞、中震可修、大震不倒”。然而，大多數(shù)地震倒塌的建筑是在抗震設(shè)計規(guī)范實施前建造的，大多沒有進行抗震設(shè)防。下面對磚木結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)進行分析。

1.1" 磚木結(jié)構(gòu)

磚木結(jié)構(gòu)是指豎向承重結(jié)構(gòu)的墻、柱等采用磚或砌塊砌筑，樓板、屋架等采用木結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)。由于屋頂與墻體連接薄弱，地震發(fā)生后，屋頂與墻體容易分離，導(dǎo)致整體倒塌或屋蓋破壞。此外，橫墻和縱墻交接處連接差，上部墻體缺乏約束作用，導(dǎo)致墻體容易傾斜。

1.2" 土木結(jié)構(gòu)

土木結(jié)構(gòu)的建造材料主要包括木材、夯土、土坯磚和瓦等，這種結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟相對不發(fā)達的地區(qū)較為常見。這類建筑結(jié)構(gòu)的墻體和梁等材料強度很低，木材易腐蝕，土坯易破碎，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體強度不足。一旦發(fā)生地震，墻與梁之間會相互擠壓，導(dǎo)致土墻破碎，造成局部垮塌。

1.3" 磚混結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)是建筑物中豎向承重墻采用磚塊或砌塊砌筑，橫向承重的梁、樓板、屋面板等采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于地震多發(fā)區(qū)域的許多磚混結(jié)構(gòu)建筑是在2000年前建造的，墻體采用的砂漿強度較低，同時由于建造年代過久，砂漿的黏結(jié)力逐漸喪失，極大地削弱了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，容易在地震中發(fā)生倒塌。此外，很多磚混結(jié)構(gòu)建筑沒有經(jīng)過嚴(yán)格正規(guī)的設(shè)計和施工，缺乏圈梁-構(gòu)造柱體系及配套的連接構(gòu)造措施，抗震能力不足。

1.4" 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)由框架梁柱和鋼筋混凝土樓板組成的結(jié)構(gòu)體系。這類建筑大多按照我國《建筑抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進行設(shè)計和施工，在地震中的整體倒塌情況較少，主要是梁柱出現(xiàn)輕微開裂或局部墻體垮塌。部分倒塌建筑的主要原因是遭遇超過設(shè)防烈度的大震，而未倒塌建筑結(jié)構(gòu)的實際抗震承載能力儲備較大，實際荷載遠低于設(shè)計荷載，結(jié)構(gòu)的抗震承載力有較多富余。

2 火場環(huán)境下不同建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌性能分析

筆者統(tǒng)計了876例事故救援案例，其中火災(zāi)救援506例，由于火災(zāi)產(chǎn)生建筑倒塌風(fēng)險的有320例，火災(zāi)造成建筑倒塌的91例。所有案例中，由于建筑自身原因倒塌救援案例54起，包括工地、民房、廠房等由于施工、建筑質(zhì)量等問題的倒塌事故。由于自然災(zāi)害引發(fā)建筑倒塌救援案例有85例，包括地震、泥石流、礦山、臺風(fēng)、洪水等災(zāi)害。

根據(jù)統(tǒng)計的506例火災(zāi)救援案例，其中大跨度廠房火災(zāi)167例，地下建筑火災(zāi)15例，高層建筑火災(zāi)74例，化工企業(yè)火災(zāi)117例，公共建筑26例，交通12例，其他95例?；て髽I(yè)火災(zāi)和大跨度廠房火災(zāi)占比56%，具體見圖1。

建筑倒塌是火災(zāi)引發(fā)的次生災(zāi)害之一，火場上建筑倒塌事故頻發(fā)，已成為消防員傷亡的重要原因。據(jù)美國消防管理局（USFA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，21世紀(jì)以來建筑火災(zāi)倒塌事故中犧牲的消防員是20世紀(jì)80年代的3倍。不同建筑結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件、建筑材料的種類和用量、建筑用途等不同，這些因素都增加了火災(zāi)發(fā)生時救援行動的難度。

2.1" 鋼混結(jié)構(gòu)

鋼混結(jié)構(gòu)由于混凝土耐火性能較高，發(fā)生火災(zāi)后抗倒塌能力強，如果承重柱等受力結(jié)構(gòu)遭到破壞，就會使結(jié)構(gòu)失去承載力而倒塌。長時間的高溫會導(dǎo)致構(gòu)件中的混凝土部分受熱膨脹和脫膠，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力減弱，造成結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌。

2.2" 鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常涂有耐火涂層，以保護鋼材免受火災(zāi)的影響，隨著炙烤時間的延長，耐火涂層可能因高溫和熱應(yīng)力的雙重作用而破裂或脫落，一旦失去涂層的保護，鋼材在高溫下會出現(xiàn)高溫脆性，即鋼材的強度和韌性會急劇下降，并且鋼材受到高溫?zé)彷椛鋾r，會因熱膨脹而發(fā)生變形，這種變形可能導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞，進而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

2.3" 磚混結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)耐火能力強，短時高溫并不會導(dǎo)致其發(fā)生倒塌，但是長時間高溫會導(dǎo)致磚體受熱膨脹，當(dāng)內(nèi)部的溫度超過其耐火極限時，磚體就會發(fā)生破裂，同時高溫會導(dǎo)致砂漿黏結(jié)力喪失，減弱了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，最終引發(fā)磚混結(jié)構(gòu)的倒塌。

2.4" 木結(jié)構(gòu)

木結(jié)構(gòu)建筑的主要材料是木材，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，木材作為易燃材料，會持續(xù)燃燒，不僅導(dǎo)致木材的質(zhì)量和強度減弱，還因其燃燒速度較快，火勢往往迅速蔓延，使結(jié)構(gòu)失去承載能力。此外，隨著火勢帶來的高溫加劇，木結(jié)構(gòu)的連接部件，如釘子、螺栓等，也會因受熱而脫落、斷裂，進一步加劇了結(jié)構(gòu)整體的不穩(wěn)定性和破壞風(fēng)險，因此，木結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的抗倒塌性能較弱，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易引發(fā)建筑倒塌事故。

3 建筑倒塌監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)強度測試方法

3.1" 建筑倒塌監(jiān)測技術(shù)指標(biāo)分類

現(xiàn)有建筑倒塌監(jiān)測的技術(shù)指標(biāo)主要包括燃燒時間、位移、傾角、溫度、壓力、方向等指標(biāo)，具體如下：

燃燒時間。建筑發(fā)生火災(zāi)后從報警到救援結(jié)束的實時時間。此指標(biāo)用于記錄受損建筑發(fā)生火災(zāi)后的持續(xù)時間，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中不同建筑結(jié)構(gòu)耐火極限來判斷受損建筑的剩余強度值。

位移。受損建筑柱、梁、板、墻等發(fā)生變形的偏移量。此指標(biāo)主要用于受損建筑在地震、火災(zāi)等災(zāi)害下建筑墻柱等發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、傾斜等的監(jiān)測，根據(jù)結(jié)構(gòu)變形偏移量來判斷受損建筑是否會發(fā)生建筑倒塌。

傾角。受損建筑柱、梁、板、墻等傾斜程度的偏移量。受損建筑在地震、火災(zāi)等災(zāi)害下關(guān)鍵構(gòu)件會受到破壞，造成結(jié)構(gòu)發(fā)生不同方向的傾斜，根據(jù)傾斜角度變化來判斷構(gòu)件彎曲程度，進而判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

溫度。受火建筑內(nèi)外部受可燃物影響的溫度變化量。此指標(biāo)主要用于記錄受損建筑發(fā)生火災(zāi)后受到不同可燃物影響的持續(xù)燃燒溫度，從消防員進入現(xiàn)場后到清掃火場全過程的持續(xù)溫度記錄，對不同建筑的耐火時間進行輔助決策。

壓力。受損建筑發(fā)生變形后的承載壓力變化。地震、火災(zāi)等災(zāi)害會導(dǎo)致建筑活荷載的變化，因此進行壓力指標(biāo)監(jiān)測，可用于判斷樓板、梁是否達到《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的承載力極限，一旦達到極限值，建筑極有可能發(fā)生倒塌。

方向。受損建筑變形、傾斜的方向。此指標(biāo)主要用于受損建筑受到地震、火災(zāi)等災(zāi)害影響下建筑關(guān)鍵構(gòu)件發(fā)生結(jié)構(gòu)位移偏移或者傾斜方向監(jiān)測，用于預(yù)判建筑可能倒塌的方向。

3.2" 建筑結(jié)構(gòu)強度測試方法

針對燃燒時間、位移、傾角、溫度、壓力、方向等建筑倒塌技術(shù)指標(biāo)，要采用以下裝備及測試方法開展測試：

燃燒時間。秒表、時鐘等，精度不低于1s。主要是消防員攜帶相關(guān)裝備開展測試。

位移。位移傳感器、裂縫計、激光位移監(jiān)測儀、機器視覺監(jiān)測儀、整體變形監(jiān)測雷達等，遙測最遠距離不少于100m，精度不宜低于1cm。地震情況下，所有設(shè)備皆可用于受損建筑的監(jiān)測，放置在被測建筑物外表面或者救援通道附近?；馂?zāi)情況下，位移傳感器、裂縫計等設(shè)備，必須貼近被測建筑物表面，測試準(zhǔn)確率較高，一般用于發(fā)生災(zāi)害前提前布置或者是災(zāi)害結(jié)束后進入現(xiàn)場測試，激光位移監(jiān)測儀、機器視覺監(jiān)測儀、整體變形監(jiān)測雷達等可在災(zāi)害發(fā)生時，距離被測建筑100m范圍外進行監(jiān)測，測試精度低于位移傳感器、裂縫計，但是可做到實時監(jiān)測。

傾角。傾角傳感器、傾角監(jiān)測儀的量測精度不宜低于0.01°，主要是利用傾角傳感器、傾角監(jiān)測儀等設(shè)備貼近被測建筑物表面的方式，測試準(zhǔn)確率較高，通常適用于發(fā)生災(zāi)害前的提前布置或者是災(zāi)害結(jié)束后進入現(xiàn)場測試。地震情況下，所有設(shè)備皆可用于受損建筑的監(jiān)測，放置在被測建筑物的外表面或者救援通道附近。

溫度。熱電偶、紅外測溫儀，量程不少于1200℃，精度不宜低于0.1℃；熱電偶主要貼在被測構(gòu)件表面或者插入被測構(gòu)件內(nèi)部，用于關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確測試，紅外測溫儀主要用于受火建筑外部或者消防員等攜帶手持式紅外測溫儀進行遙測。

壓力。壓力傳感器、壓力支撐桿等，精度不宜小于0.1kN；壓力傳感器、壓力支撐桿等主要是用于受損建筑關(guān)鍵構(gòu)件承載力的監(jiān)測，地震、火災(zāi)情況下都可以使用，尤其是在狹小救援空間內(nèi)，可用于撐頂受損建筑，提高消防員作業(yè)空間的安全性，也可以監(jiān)測樓板、梁等承載力變化。

方向。方向傳感器、經(jīng)緯儀等。可用方向傳感器、經(jīng)緯儀等監(jiān)測受損建筑在地震、火災(zāi)等災(zāi)害影響下建筑關(guān)鍵構(gòu)件發(fā)生結(jié)構(gòu)位移偏移或者傾斜方向。

4 結(jié)束語

本文主要對地震、火場環(huán)境下不同建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌性能及結(jié)構(gòu)強度的測試方法開展研究，一方面，對地震作用下的磚木結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)四種建筑結(jié)構(gòu)分別進行抗倒塌性能分析，同時對火災(zāi)作用下的鋼混結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)抗倒塌性能開展分析。另一方面，對燃燒時間、位移、傾角、溫度、壓力、方向等現(xiàn)有建筑倒塌技術(shù)指標(biāo)及其測試方法進行具體闡述，為建筑倒塌監(jiān)測提供理論支撐。

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