火災(zāi)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分析與研究

李秋明　于俊鵬　馬穎慧

（華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北　唐山　063009）

火災(zāi)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)分析與研究

李秋明于俊鵬馬穎慧

（華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北唐山063009）

閱讀了鋼筋混凝土抗火方面的大量文獻(xiàn)，簡(jiǎn)要?dú)w納了鋼筋混凝土抗火研究的內(nèi)部溫度場(chǎng)、高溫力學(xué)性能、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)抗火性能等方面的研究成果。主要介紹了火災(zāi)下的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線，并總結(jié)了一般的求解溫度場(chǎng)問(wèn)題的各類方法；提出了一些問(wèn)題，包括標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線很難符合構(gòu)件實(shí)際火災(zāi)條件；今后重要的研究方向在于開(kāi)展計(jì)算機(jī)模擬抗火研究，并開(kāi)發(fā)有效的抗火性能數(shù)值模擬軟件。

火災(zāi)；鋼筋混凝土；溫度場(chǎng)

縱觀當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，針對(duì)建筑火災(zāi)的研究現(xiàn)狀主要包含實(shí)際火災(zāi)發(fā)展以及升溫曲線研究、火災(zāi)煙氣蔓延研究以及建筑物火災(zāi)計(jì)算機(jī)模擬研究三項(xiàng)內(nèi)容。這三項(xiàng)研究?jī)?nèi)容的目的都是為了掌握建筑物受火高溫情況下的變化規(guī)律，主要為了解氣體溫度變化以及煙霧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而展現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生與預(yù)測(cè)火災(zāi)未來(lái)情況，其目的是為結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)以及建筑防火設(shè)計(jì)提供充分的科學(xué)依據(jù)。

國(guó)外的主要著名研究所有1947年英國(guó)科學(xué)家建立的火災(zāi)研究所（FRS），此外還有美國(guó)的美國(guó)的NIST研究所、日本的建設(shè)省建筑研究院以及加拿大國(guó)家研究院。相比之下，國(guó)內(nèi)起步較晚，1989年我國(guó)科學(xué)家在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了國(guó)家火災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，由范維澄院士帶領(lǐng)課題組對(duì)火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，其研究?jī)?nèi)容涉及到單室火災(zāi)、多室火災(zāi)以及大空間火災(zāi)模擬、煙氣運(yùn)動(dòng)等實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

1　溫度-時(shí)間曲線

火災(zāi)的發(fā)生被分為三個(gè)過(guò)程：期初階段、發(fā)展階段以及熄滅階段。其中由于在發(fā)展階段高溫持續(xù)最長(zhǎng)，因此發(fā)展階段對(duì)結(jié)構(gòu)的抗火性能起到了決定性作用。

在實(shí)際火場(chǎng)中，溫度—時(shí)間變化關(guān)系將直接影響著結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)變化，針對(duì)火場(chǎng)溫度變化影響因素，結(jié)合研究［1］可知主要具有三個(gè)影響因素：其一為室內(nèi)火災(zāi)性質(zhì)、數(shù)量以及分布；其二為房間面積、形狀以及通風(fēng)情況；其三為建筑材料的熱工性能。

建筑在設(shè)計(jì)時(shí)刻無(wú)法預(yù)知室內(nèi)可燃物狀況，這就會(huì)導(dǎo)致火場(chǎng)溫度—時(shí)間變化曲線存在較大隨機(jī)性。所以為同一其結(jié)構(gòu)抗火性能，進(jìn)而建立一個(gè)客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)尺度，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的科學(xué)試驗(yàn)給出了一條理想化的理論試驗(yàn)曲線被統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)火場(chǎng)溫度—時(shí)間曲線很難作為所有結(jié)構(gòu)在實(shí)際火災(zāi)中的高溫工作情況，因此受火條件需趨于采取用計(jì)算預(yù)測(cè)得出的失火分區(qū)平均溫度—時(shí)間曲線，代替標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。隨著性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的提出，標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線已不能滿足要求，且標(biāo)準(zhǔn)溫度—時(shí)間曲線很難作為所有構(gòu)建受火條件下的實(shí)際火災(zāi)工作條件，然而通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)得到的火災(zāi)高溫區(qū)域火場(chǎng)高溫—時(shí)間曲線可以很好的反應(yīng)規(guī)律，從而可以作為結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的分析依據(jù)［2-4］。

2　求解溫度場(chǎng)問(wèn)題的一般方法

在當(dāng)今研究水平下，鋼筋混凝土截面溫度場(chǎng)的計(jì)算精度主要采用如下四種方法［5-6］：其一為結(jié)合有限元法以及差分法，采用MATLAB軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程進(jìn)而來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析；其二將研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)情況下的一維或者二維問(wèn)題，進(jìn)行解析；其三為結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范所提供的溫度場(chǎng)圖表以及數(shù)據(jù)；其四為制作足尺試件進(jìn)行高溫試驗(yàn)，然后加以實(shí)測(cè)。

在實(shí)際受火高溫條件下，鋼筋混凝土邊界溫度條件以及混凝土導(dǎo)熱參數(shù)、質(zhì)量密度以及熱熔等熱工性能參數(shù)都會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此截面熱傳導(dǎo)問(wèn)題也是一個(gè)非線性的瞬態(tài)問(wèn)題，結(jié)合相關(guān)規(guī)范資料可知，其控制方程為非線性拋物線偏微分方程。主要存在的數(shù)值解法為：時(shí)間域差法—空間域差法、空間域有限元—時(shí)間域差法以及時(shí)間域有限元—空間域有限元法等。

3　開(kāi)展計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)試驗(yàn)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)?zāi)M結(jié)構(gòu)火災(zāi)的技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)?；馂?zāi)的計(jì)算機(jī)模擬是在大量火災(zāi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。經(jīng)查閱大量相關(guān)資料可知目前國(guó)際上共有18種火災(zāi)模擬計(jì)算模型，主要可以進(jìn)行火災(zāi)發(fā)生環(huán)境、煙氣的運(yùn)動(dòng)方式、火災(zāi)持續(xù)時(shí)間等方面的預(yù)測(cè)。這些火災(zāi)模擬計(jì)算模型可以歸納為場(chǎng)模型和區(qū)域模型兩種。此外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)最近提出了一種新的場(chǎng)-區(qū)-網(wǎng)耦合模型。

計(jì)算機(jī)模擬火災(zāi)試驗(yàn)包括預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生及發(fā)展的全過(guò)程、構(gòu)件的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)非線性分析以及構(gòu)件內(nèi)部溫度與熱反應(yīng)分析、然而火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)需涉及到工程結(jié)構(gòu)、火災(zāi)科學(xué)以及計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)體系。在當(dāng)下我國(guó)乃至國(guó)外先進(jìn)水平范圍內(nèi)都沒(méi)有通過(guò)軟件能實(shí)現(xiàn)最真實(shí)的火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)。因此今后應(yīng)該圍繞此類型軟件的開(kāi)發(fā)和完善進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。

4　結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)在普遍在各種工程技術(shù)方面展開(kāi)了應(yīng)用?；馂?zāi)導(dǎo)致的高溫情況將會(huì)影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度等各方面條件。由于對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)非常復(fù)雜并且造價(jià)很大，所以，根據(jù)各類試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，以進(jìn)一步研究數(shù)值分析軟件是當(dāng)今研究鋼筋混凝土抗火性能的重要趨勢(shì)。

鋼筋混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)抗火研究總趨勢(shì)為：利用各類構(gòu)件在荷載和溫度共同作用下破壞機(jī)理，建立構(gòu)件的火災(zāi)下分析模型，使用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究。

［1］ 張懷章，楊秀萍，赫淑英.壓型鋼板—混凝土組合樓板溫度場(chǎng)有限元模擬［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，22（4）:13-15.

［2］ 段文璽.建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)分析和處理（一）［J］.工業(yè)建筑，1985（7）:50.

［3］ 陸洲導(dǎo)，徐兆琿.火災(zāi)下鋼骨混凝土柱溫度場(chǎng)分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，32（9）:1122 -1125.

［4］ 陳禮剛，胡文福，孫慶德.火災(zāi)下鋼筋混凝土板溫度場(chǎng)分析［J］.火災(zāi)科學(xué)，2004，13（4）:241-245.

［5］ 李麗，胡海濤.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高溫性能研究綜述［J］.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，25（3）:33-38.

［6］ 李昀暉.鋼筋混凝土梁高溫極限承載力計(jì)算及抗火設(shè)計(jì)方法研究［D］.中南大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007.

TU375

A

1003-5168（2015）11-106-01