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，高溫場的作用后，鋼筋混凝上構(gòu)件發(fā)生十分嚴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)以其強度高、重量輕、抗震性能好等優(yōu)勢在工程中得到了廣泛應(yīng)用。又由于鋼材在400℃時屈服強度將急劇下降，只能達到在室溫下的一半，當溫度達到約600℃時，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)的防火保護層脫落，隨后的火災(zāi)使鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)強度性能大幅削減，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)注的研究內(nèi)容。研究建筑結(jié)構(gòu)抗火強度的傳統(tǒng)方法，通常根據(jù)首先確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型來對結(jié)構(gòu)進行抗火分析。又由于建筑結(jié)構(gòu)在其設(shè)計、施工和使用過程中比如存在的不確定性，傳統(tǒng)方法對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)生率的隨時進行調(diào)整，這是以很多的材料浪費和潛在的巨大損失為代價的。因此，用客觀的理性的評估方法來替代主觀的定性的評估方法是建筑技術(shù)的發(fā)展要求。

按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（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來進行定量的分析。盡管現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準及有關(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際工程上都有重要的研究價值。特別是通過對傳統(tǒng)方法的改進研究，建立一整套更加符合工程實際的，定量的建筑結(jié)構(gòu)抗火可靠性評估方法，分析火災(zāi)對結(jié)構(gòu)可靠性的影響，從而評估結(jié)構(gòu)的抗火可靠性，當火災(zāi)發(fā)生時能夠盡量減少由于破壞或倒塌所造成的人員傷亡以及財產(chǎn)損失，變得極為緊迫和必要。

一、火災(zāi)環(huán)境模型研究進展

建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的研究主要可分為以下四個方面： 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)的損傷評估與修復(fù)加固研究、抗火設(shè)計方法研究。人們在研究建筑結(jié)構(gòu)抗火分析與設(shè)計時，首先關(guān)注的是空氣溫度的分布及其隨時間的變化。最初研究人員通過多次試驗測得數(shù)據(jù)來取得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能并制訂了標準火災(zāi)升溫曲線。目前國內(nèi)采用最多的是國際標準組織制訂的火災(zāi)升溫曲線，對于一般的室內(nèi)火災(zāi)，火對建筑結(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)空氣場分布均勻。各國學(xué)者通過對火災(zāi)的資料數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，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)部各點的溫度變化密切相關(guān)?；馂?zāi)發(fā)生時，燃燒物質(zhì)所釋放出的熱量通過輻射、對流以及傳導(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)部的溫度場隨著火災(zāi)時間不斷變化，一般可以用傅里葉導(dǎo)熱微分方程求解。

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

對于鋼構(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溫度相同；而重型鋼構(gòu)件由于截面過大，則不能認為截面上各點溫度完全相同。目前研究人員根據(jù)構(gòu)件單位長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)件可靠性的研究進展

目前，可靠度理論在工程應(yīng)用中已擴展到結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的各個步驟中。上世紀20年代開始，國際上的一些專家學(xué)者便開始對結(jié)構(gòu)可靠性理論展開研究。到了70年代，可靠度評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，國際標準化組織發(fā)布了《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》，并在1998年發(fā)布了修訂版，推進了結(jié)構(gòu)可靠度評估方法和設(shè)計理論的發(fā)展。早期的可靠度計算只考慮隨機變量的均值和方差，現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》；以及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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)計法，采用可靠度指標來度量結(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)域的一些文獻為開展此項研究提供了必要的理論基礎(chǔ)?？偨Y(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)的時變可靠性。通過具體算例說明最小抗力點是結(jié)構(gòu)可靠度分析的關(guān)鍵點。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，計算了不同影響參數(shù)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的影響，如環(huán)境不同、混凝土強度不同，保護層厚度不同等。分析了火災(zāi)時鋼筋混凝土梁截面的溫度場分布，建立了火災(zāi)后梁的抗力模型和極限狀態(tài)方程，通過可靠性指標的變化，分析了不同受火時間對梁可靠度的影響。在的基礎(chǔ)上，考慮了荷載和抗力在火災(zāi)發(fā)生前隨時間衰減的動態(tài)可靠性。分析了鋼筋混凝土柱的截面尺寸、長細比、配筋率、強度以及保護層厚度等對火災(zāi)后混凝土柱的可靠度的影響。對火災(zāi)時升溫過程的影響參數(shù)的隨機性進行了研究，構(gòu)建了影響參數(shù)的概率模型，并用蒙特卡洛法對升溫過程影響參數(shù)的隨機性進行模擬和驗證。

參考文獻

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