繆卓君，王玉華

（1.南京威新房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 第一分公司，江蘇 南京 210000；2.南京鐵道職業(yè)技術學院，江蘇 南京 210000）

混凝土材料因其取材方便、成本低廉、可塑性強、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，在交通運輸、土木工程、水利工程等眾多領域應用十分廣泛。隨著社會需求地不斷增加，建筑物的尺寸、跨度及高度等也越來越大，結構形式也呈現(xiàn)出異形、多樣化趨勢［1-2］，并逐漸朝著大型化、高層化發(fā)展。隨著建設需求及科技水平的發(fā)展，混凝土結構在極端特種環(huán)境下地應用越發(fā)廣泛，所以其所處環(huán)境溫度早已超出常溫所屬范疇［3］，因此其所面臨的溫度要求也越來越苛刻，例如火災發(fā)生時混凝土性能退化便是其中最為典型的例子。對房屋建筑結構來說，火災發(fā)生后30 min 內(nèi)，建筑室內(nèi)溫度可達到800 ℃～1 200 ℃，高溫下結構往往因承載力降低和自身剛度退化而使損傷發(fā)展，造成結構性能劣化，嚴重影響建筑物內(nèi)、外部結構完整性，甚至發(fā)生整個建筑結構倒塌。

因此，混凝土結構在正常使用期間，受服役環(huán)境溫度地影響非常大［4-6］，尤其是火災發(fā)生時極端的高溫環(huán)境更為危險，為保證工程結構在不同環(huán)境中的安全性，有必要全面研究掌握火災發(fā)展過程中對房屋結構混凝土材料及構件性能地影響。

1 房屋結構混凝土火災溫度場分析

1.1 房屋結構混凝土火災升溫曲線

已有研究指出［7-8］：火災發(fā)生時，升溫-時間曲線是混凝土所受到高溫作用的主要體現(xiàn)，對應狀態(tài)下混凝土受力性能的決定性因素是其自身熱力性能和截面不同位置溫度分布情況。因此，確定火災發(fā)生后房屋結構混凝土的升溫曲線及其內(nèi)部溫度場，是研究房屋結構混凝土抗火性能的前提和基礎。當房屋結構發(fā)生火災后，對應空間內(nèi)各點的溫度差別較大，可燃物火焰附近混凝土的溫度最高，隨著與可燃物火焰距離地增加，溫度逐漸降低。

實際房屋結構發(fā)生火災時，火災發(fā)展一般要經(jīng)歷成長期、旺盛期、衰減熄滅期三個不同階段，而不同階段對應的火災升溫曲線影響因素較多，諸如房間結構與構造、結構尺寸、通風情況、材料表面熱物理性能等。根據(jù)已有研究結果，火災發(fā)展過程中典型的溫度-時間曲線如圖1所示。

圖1 火災發(fā)展過程中典型的溫度-時間曲線

發(fā)生火災及火情發(fā)展過程中，房屋結構混凝土與燃燒源、煙氣之間進行熱對流與熱輻射，而結構內(nèi)部的熱量交換方式以熱傳導為主［9］。采取某一單一指標完全準確地描述火災溫度與延續(xù)時間的關系較為困難，因此，為了統(tǒng)一描述和表征混凝土結構及其構件的抗火性能，許多國家或組織根據(jù)大量實地調(diào)查與試驗研究，總結出了升溫曲線的相應計算公式。根據(jù)不同組織結構的研究結果，常見場景中火災燃燒的室內(nèi)模型對應標準溫度-時間曲線主要有以下3種：

（1）ISO 834標準曲線：T=T0+345×lg(8t+1)；

（2）HC標準火災曲線：

T=T0+1080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)；

（3）ASTM-E119標準火災曲線：

T=1166-5325e-0.01t+186e-0.05t-820e-0.2t；

式中：T0為環(huán)境初始溫度；t 為火災持續(xù)時間；T為燃燒開始后的環(huán)境溫度。

其中，ISO 834 標準溫度-時間曲線所反映的火災發(fā)展過程中的溫度變化規(guī)律，是一個統(tǒng)一且單調(diào)升溫的溫度變化過程，即火災發(fā)生后無論可燃物的燃燒時間多長，結構所對應的溫度一直處于上升狀態(tài)，始終沒有衰減或熄滅階段。因此，該曲線在反映實際房屋結構和建筑物的真實火災溫度時存在較大偏差，結合國內(nèi)外大量的室內(nèi)燃燒試驗結果，二者也存在較大差別。但是該標準曲線為國內(nèi)外標準與規(guī)范中為數(shù)不多推薦使用的模型，在房屋結構構件混凝土的抗火試驗、高溫性能分析以及混凝土結構的耐火極限驗算中，具有較高的可行性，且在結構抗火安全性設計中具有較好的實用性。

1.2 溫度場計算

房屋結構內(nèi)部熱量傳輸過程中，燃燒導致房屋結構出現(xiàn)較多熱氣流。熱氣流不斷上浮，導致房間上方梁、板等水平構件的底面附近溫度不斷升高，進而在該位置形成一個溫度較高的熱氣流層。相應地，房屋結構的墻和柱等豎向構件側面附近，也將隨著溫度升高和熱氣流擴散而形成一個熱氣流層。這些房屋結構構件周圍形成的熱氣流層，其自身溫度值及其在空間上的分布特性，取決于房屋結構內(nèi)部發(fā)生火災時可燃物的位置與分布情況、可燃物的燃燒時間、熱氣流的流通方向等。

基于上述分析，一般意義上描述的火災溫度，是指這些房屋結構構件對應的熱氣流層的溫度。在進行分析和計算時，一般假定房屋結構構件混凝土周圍氣流層內(nèi)溫度呈均勻分布，且其數(shù)值及發(fā)展規(guī)律一般認為是燃燒時間的函數(shù)。因此，以房屋結構的樓板為例，介紹發(fā)生火災時房屋結構及不同構件的溫度場計算方式，以反映其溫度變化規(guī)律及分布情況。

在分析發(fā)生火災時樓板的溫度場過程中，將樓板作為半無限大的平板考慮，假定受火面的長度與寬度為無限大，發(fā)生火災前樓板內(nèi)部的溫度均勻分布，且在火情發(fā)展過程中，樓板的物理力學性能僅在沿板厚度方向發(fā)生變化，火災發(fā)生初始時刻，受火表面的溫度不變?；谏鲜黾俣?，樓板內(nèi)部的溫度場可以認為是燃燒時間與距離的函數(shù)［12］，如式（1）所示：

根據(jù)導熱方程可以得到：

依據(jù)上述發(fā)生火災時關于樓板周圍的溫度變化與基本性能的假定，可以得到式（2）所述導熱方程的邊界條件與初始條件，如式（3）、（4）所示：

采用拉普拉斯變換解式（2）所示的導熱微分方程，可以得到發(fā)生火災時房屋樓板結構的溫度沿著橫截面高度方向的分布函數(shù)，如式（5）所示：

式中，T0為樓板初始溫度；

t 為燃燒時間；

α 為樓板熱工系數(shù)；

h 為樓板厚度；

根據(jù)式（6）所示方程，即可計算發(fā)生火災時房屋樓板結構的溫度場，進而反映其溫度變化規(guī)律及分布情況。

2 房屋結構混凝土抗火性能提高措施及災后加固

由混凝土升溫曲線及其內(nèi)部溫度場可以看出，結構構造、結構尺寸、通風情況、材料表面的熱物理性能等都對房屋結構抗火有影響。因此，改善房屋結構混凝土的抗火性能可以從改善材料性能和改變結構構造兩個方面入手。

2.1 改善材料性能

普通混凝土受熱爆裂的過程，就是混凝土中的水分從混凝土內(nèi)部逸出的過程。隨著溫度地不斷升高，混凝土強度損失的速率隨之增加。有試驗研究指出：當試驗溫度達到600 ℃時，混凝土試件的強度會損失50%，當試驗溫度達到800 ℃時，混凝土試件的強度損失80%左右，溫度與混凝土強度損失對比如圖2所示。

圖2 溫度與混凝土強度損失

高強度混凝土由于密實度高、孔隙率低，蒸發(fā)通道不暢，水分能盡快逸出，從而會產(chǎn)生幾乎達到飽和蒸汽壓的過高蒸汽分壓，由于蒸汽分壓遠遠超過了混凝土抗拉強度，最終必然導致混凝土不能抵御內(nèi)部壓力而爆裂。但高性能混凝土加入聚丙烯纖維后，情況會發(fā)生變化。當溫度為180 ℃，混凝土還處于自蒸發(fā)階段時，結構內(nèi)部壓力還不是很大，同時由于聚丙烯纖維熔點極低（杜拉纖維的熔點為165 ℃），它在較低溫度下就會熔化，而且熔化后的液態(tài)體積遠小于其為固態(tài)時所占的空間，于是聚丙烯纖維熔化后會形成眾多小孔隙，而且由于聚丙烯纖維分散均勻性，纖維細小、量多，從而使混凝土內(nèi)部孔隙結構發(fā)生變化，孔隙的連通性加強，為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了方便通道，也就降低了由于水分蒸發(fā)所形成的氣壓，使混凝土結構內(nèi)部壓力降低，從而防止了爆裂現(xiàn)象地產(chǎn)生。

在混凝土結構中摻入不同種類的纖維，可有效改善混凝土抗火性能。其中，摻入聚丙烯纖維形成的聚丙烯纖維混凝土可以提高結構自身高溫作用下的抗爆裂性能。摻入適量鋼纖維形成的鋼纖維混凝土可以提高結構經(jīng)受高溫作用后剩余承載能力。而按照一定比例摻入聚丙烯纖維與鋼纖維不僅可以防止結構高溫爆裂，而且還能在一定程度上提高其高溫后的殘余強度［10］。

混凝土中摻入聚丙烯長纖維會不同程度地降低結構經(jīng)受高溫后的殘余抗壓與抗彎強度，按照一定比例混合摻入鋼纖維在宏觀上提高了結構構件高溫后殘余抗壓強度，但鋼纖維地摻入會增加結構的爆裂概率與程度。此外，摻入纖維的混凝土結構經(jīng)歷高溫后浸水養(yǎng)護一段時間，自身抗壓和抗彎強度恢復效果明顯比素混凝土好。將耐高溫的無機膠凝材料作為混凝土結構的防護層，可以在很大程度上提高結構自身的承載力和抗火性能。

2.2 改變結構構造

現(xiàn)階段提高結構抗火性能的措施主要包括增加保護層厚度、增加截面尺寸、涂抹厚型防火涂層等［10-12］。其中，對于房屋結構而言，提高結構耐火極限最有效的方法是在構件表面涂覆防火涂層。房屋結構中使用的防火涂層，按照材料配比、作用機理以及工作原理大致可以分為膨脹型涂層和非膨脹型涂層兩種。涂覆于房屋結構的膨脹型防火涂料的涂層，當房屋結構發(fā)生火災時涂層受熱后膨脹形成蜂窩狀炭化層，火災時對火焰熱量起到一定地隔離作用，從而降低防護對象在火災發(fā)展過程中的熱傳導。相對于膨脹型防火涂層，非膨脹型防火涂料則是通過自身的高難燃性，在發(fā)生火災時達到從根源上隔離火源與可燃物，進而達到阻燃防火的目的。結合大多數(shù)實際工程中防火涂層的應用情況，目前國內(nèi)外在房屋結構的防火性能改善中應用較多的防火涂層主要是高性能膨脹型防火涂層。

對混凝土結構而言，雖可以通過增加構件截面尺寸和保護層厚度在一定程度上提高結構的耐火極限，但過大的截面尺寸與保護層厚度反而會造成結構自身的承載力降低，且容易導致高溫下結構開裂，進而降低結構的耐火極限，因此應結合實際情況適當調(diào)整房屋結構構件的構造形式，不可一味追求房屋結構截面面積地增加與混凝土保護層厚度地增大。

2.3 房屋結構火災后處理實例

2.3.1 工程概況

該結構為位于我國西北地區(qū)某縣城的11層鋼筋混凝土結構的住宅樓，結構形式為現(xiàn)在高層建筑中常用的框架剪力墻結構。該房屋建筑面積8 095.29 m2，建筑高度36.8 m，房屋主體結構耐火等級按二級設計，按照抗震等級地震烈度為7度。該房屋于2015年4月8日凌晨兩點左右，由于四樓住戶的液化氣罐爆炸引發(fā)了火災，消防戰(zhàn)士于第一時間趕赴現(xiàn)場并進行撲救，2 h后火災被撲滅。雖然火災已經(jīng)被撲滅，但是該四樓住戶內(nèi)部的可燃物基本上被燃燒殆盡，房屋結構整體及構件均出現(xiàn)了一定程度燒傷，部分位置出現(xiàn)了較為嚴重地開裂和變形，需經(jīng)過檢測評估后采取相應地加固措施。

2.3.2 火損檢測

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結果，受火區(qū)房屋內(nèi)部可燃物基本上燃燒殆盡，受火區(qū)域灼燒程度較為嚴重。鋼筋混凝土構件表面抹灰層整體上全部脫落，大部分受火表面呈土黃色，只有少部分結構表面呈現(xiàn)粉紅色，有一部分位置發(fā)生了爆裂，導致混凝土內(nèi)部的石子外露，且出現(xiàn)面積較大網(wǎng)狀裂縫。如圖3所示，為火災發(fā)生后房屋結構的損傷情況。

如圖3 所示，房屋結構受火后損傷較為嚴重，受火房間梁跨中底部出現(xiàn)了明顯的三條裂縫，測量后顯示其平均寬度為0.4 mm。其他房間的梁也在底部出現(xiàn)了均勻的裂縫，寬度從0.1～0.3 mm，梁體表面整體泛白。受火房間樓板下側抹灰層被灼燒后掉落，石子發(fā)生爆裂后外露，網(wǎng)狀裂縫整體寬度為0.3 mm。其他房間的樓板、窗戶等位置也出現(xiàn)了泛白和開裂現(xiàn)象，裂縫寬度從0.1～0.3 mm。由于該建筑結構火災屬于局部火災，且消防人員撲救較為及時，因此火災對結構的影響范圍較小。

圖3 建筑火損情況

2.3.3 結構安全系評估及處理措施

為保證房屋整體安全及使用壽命，依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015）對整體建筑結構的地基基礎與上部承重結構進行安全評估。發(fā)生火災的位置距離地基基礎較遠，因此地基基礎的性能未受影響，依據(jù)規(guī)范評定其等級為Au 級。由于受火房間及相鄰房間的結構構件損傷較為嚴重，外觀完整性較差，且部分位置有鋼筋外露，結構整體性與完整性均受損嚴重。經(jīng)驗算后，其承載能力不能滿足房屋結構正常使用時的承載要求，需進行加固處理，因此依據(jù)規(guī)范評定其等級為Cu 級，部分為Bu 級。結合燒損構件的構造缺陷、構件變形、結構整體性、門窗損壞情況、非承重墻體損傷、電梯損壞情況等，綜合鑒定該房屋結構火損后的等級為Csu 級，該住宅樓的安全性等級為Bu級。

結合鑒定等級，專業(yè)鑒定單位給的處理建議為：評定為Ⅲ級的樓板需進行更換；評級為Ⅱb級的樓板在清除燒損層之后，先對裂縫采用環(huán)氧樹脂進行處理，再對樓板整體采用高標號聚合物砂漿加固；Ⅱa級構件在清除燒損層后直接進行修補即可。受火房間及相鄰房間的梁，出現(xiàn)評級為b、c的梁必須采用加大截面法進行加固，從而保證結構整體的受力性能；出現(xiàn)評級為b、c 的梁柱和剪力墻須采用外部粘貼型鋼的方法加固。此外，由于整棟建筑物在發(fā)生火災時外部墻皮與灰層均受到了不同程度損傷，因此建議外部采用涂覆防火涂層的方式進行預加固處理。

3 小結

本論述通過分析火災對房屋建筑混凝土結構的影響與危害，結合國內(nèi)外關于混凝土結構火災發(fā)生時的溫度場研究現(xiàn)狀，介紹了房屋結構混凝土火災時的升溫曲線。由于房間結構與構造、結構尺寸、通風情況、材料表面的熱物理性能等對火災的演變影響較大，因此實際房屋結構發(fā)生火災時，火災的發(fā)展歷程可以大致分為成長期、旺盛期、衰減熄滅期三個階段。以房屋結構的樓板為例，介紹發(fā)生火災時房屋結構及不同構件的溫度場計算方式，進而反映了房屋結構在火災發(fā)展過程中的溫度變化規(guī)律與對應的分布情況。最后結合常見的混凝土結構抗火性能提高措施，從改善原材料與優(yōu)化結構設計兩個方面總結了房屋結構混凝土抗火性能的提高措施，現(xiàn)階段提高結構耐火極限最有效的方法是在混凝土結構表面涂覆防火涂層。結合實際的房屋火損例子，介紹了實際房屋結構發(fā)生火災后可能出現(xiàn)的損傷，并結合規(guī)范進行安全等級評定方法，簡述了常見的結構混凝土抗火性能提高措施在實際工程中的應用。本研究對于房屋結構混凝土抗火性能提升與火損機理的研究，具有一定地參考與借鑒意義。