復(fù)雜結(jié)構(gòu)高層建筑火災(zāi)坍塌過程研究

崔鐵軍， 李莎莎， 王來貴， 馬云東

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000；2．大連交通大學(xué) 遼寧省隧道與地下結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，大連116028；3．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000）

1 引 言

高層建筑火災(zāi)是現(xiàn)代城市發(fā)展不可回避的重要問題之一。由于城市發(fā)展，核心位置容積率迅速提高，高層建筑在提供辦公和居住空間的同時也存在較大風(fēng)險，特別是來源于各種自然和人為的威脅，火災(zāi)就是其中之一。高層建筑火災(zāi)不同于中低層建筑，建筑火災(zāi)根據(jù)影響范圍可以分為內(nèi)部和外部影響，內(nèi)部影響主要是人員的疏散和財產(chǎn)的保全，外部影響是建筑破壞后對周圍環(huán)境的影響。這兩個方面高層建筑火災(zāi)都具有較高風(fēng)險。高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜且較高，不利于人員逃生；更為重要的是如果發(fā)生火災(zāi)坍塌，將對周邊造成毀滅性的影響。特別是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高層建筑，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計或外形獨特，導(dǎo)致其應(yīng)力應(yīng)變變化無常，在火災(zāi)溫度改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件物理力學(xué)性質(zhì)后的坍塌行為難以預(yù)料和控制。所以對結(jié)構(gòu)特殊且較高建筑進行不同位置和程度的火災(zāi)模擬坍塌研究是有必要的。特別是對于多核心筒，且中部具有空間的建筑而言，火災(zāi)中的坍塌過程研究更為必要。

對于高層建筑的非連續(xù)破壞研究源于911恐怖襲擊。文獻［1－5］分別從不同角度討論了世貿(mào)大廈破壞的過程、形式和原因，并進行了一些建筑坍塌的模擬。最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致坍塌的原因在于火災(zāi)溫場對建筑構(gòu)件的持續(xù)作用導(dǎo)致構(gòu)件失效。文獻［6－8］分別研究了火災(zāi)作用下鋼筋混凝土平板和框架建筑的結(jié)構(gòu)性能及連續(xù)倒塌破壞過程。文獻［9－12］討論了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)作用下的性能變化及防火措施，并進行了坍塌破壞模擬。文獻［13，14］對建筑結(jié)構(gòu)坍塌過程進行了建模，并對相關(guān)技術(shù)發(fā)展進行了評述。文獻［15－22］是對建筑在受到動力荷載后產(chǎn)生的連續(xù)或非連續(xù)破壞的研究成果。

對于建筑火災(zāi)的研究目前主要集中在三個方面，一是人員疏散問題，二是煙氣流動問題，三是結(jié)構(gòu)防火問題。但對于建筑因火災(zāi)造成的坍塌模擬研究較少。究其原因主要是研究方法和相關(guān)理論不足造成的。目前，研究建筑破壞的方法主要有解析法、相似模擬和數(shù)值模擬。其中，解析法難以計算復(fù)雜的非連續(xù)性破壞問題，無法處理非連續(xù)性的破壞過程。

崔鐵軍等對復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的災(zāi)變破壞過程已經(jīng)有了一定研究。主要使用模擬方法，包括連續(xù)模擬的FLAC和離散模擬的PFC。本文屬于建筑離散破壞系列的研究之一。建筑離散破壞主要解決高層建筑遭受火災(zāi)、地震、撞擊、爆炸以及風(fēng)荷等作用后的非連續(xù)破壞過程。對于本文研究內(nèi)容，根據(jù)該建筑結(jié)構(gòu)特點和崔鐵軍等［15－23］對該類問題的研究，使用顆粒流方法構(gòu)建該建筑并實施火災(zāi)模擬。

2 工程背景

模擬建筑對象為中空－四核心筒－框架結(jié)構(gòu)建筑，建筑整體外形尺寸為高216m×長50m×寬50m。中空部分位于建筑中部，高程31m～200m，截面為20m×20m。四核心筒毗鄰中空位置，偏向建筑四角處，貫穿于建筑整體，尺寸為216m×10m×10m。其余建筑結(jié)構(gòu)為依托核心筒框架結(jié)構(gòu)。所有承重柱和梁截面為1m×1m。主體結(jié)構(gòu)材料列入表1。

由于主要研究建筑物上部結(jié)構(gòu)，這里對地質(zhì)條件不做詳細介紹。

表1 主體結(jié)構(gòu)材料Tab．1 Main structure materials

3 建筑與火災(zāi)模型

模擬使用的軟件是PFC3D，構(gòu)建模型和溫場設(shè)置均使用了內(nèi)置的FISH語言進行動態(tài)調(diào)整，相關(guān)技術(shù)參見PFC3D用戶手冊。

3．1 建筑模型建立

圖1給出了該建筑的基本結(jié)構(gòu)尺寸，將模型中組成構(gòu)件的顆粒半徑設(shè)置為R＝0．5m。這樣設(shè)置一是為了減少組成建筑所使用顆粒數(shù)量，以提高模擬效率和降低硬件要求；二是為了能較好地反映該建筑的結(jié)構(gòu)特點，其11～67層為中空部分層，1～10層和68～72層不存在中空部分層。設(shè)置4個核心筒結(jié)構(gòu)貫穿整個建筑。設(shè)置核心筒材料是外伸梁材料強度的1．5倍［23］。構(gòu)成建筑外伸梁柱顆粒性質(zhì)設(shè)置列入表2，這些性質(zhì)由表1近似計算得到。

表2 基本梁柱顆粒性質(zhì)Tab．2 Basic unit particle properties

3．2 火災(zāi)模擬方法

火災(zāi)模擬主要涉及如下幾方面，火災(zāi)中混凝土結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整，火災(zāi)中鋼筋模型參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整和溫場設(shè)置及模擬步驟?；馂?zāi)模擬方法參見文獻［22］，考慮篇幅和重復(fù)情況，簡述如下。

在火災(zāi)升溫的不同階段，混凝土的物理力學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生改變，所以對于建筑火災(zāi)模擬要根據(jù)不同溫度對材料參數(shù)進行調(diào)整。根據(jù)文獻［18－21］的研究結(jié)果，先確定參數(shù)初始值，然后根據(jù)溫度與參數(shù)對應(yīng)關(guān)系對顆粒屬性進行調(diào)整?；炷料嚓P(guān)參數(shù)列入表1，熱力學(xué)參數(shù)的傳熱系數(shù)為4．2，比熱容為880J／kg·℃，線性熱膨脹率為5．4×10－6。根據(jù)文獻［18－21］給出的溫度與參數(shù)關(guān)系，可確定參數(shù)與溫度之間的關(guān)系，包括，彈性模量如式（1）所示，混凝土線膨脹系數(shù)如式（2）所示，混凝土骨料導(dǎo)熱系數(shù)如式（3）所示，混凝土比熱容如式（4）所示以及峰值抗壓強度等。鋼筋的力學(xué)參數(shù)與溫度關(guān)系有屈服強度、極限強度、屈服應(yīng)變、自由膨脹應(yīng)變和極限應(yīng)變等［22］。

圖1 建筑模型的基本結(jié)構(gòu)Fig．1 Basic structure of the building model

根據(jù)一般建筑火災(zāi)溫度，設(shè)置火災(zāi)溫度為1000℃～1600℃。由于涉及參數(shù)的溫變公式可能不適應(yīng)1600℃高溫，本文進行如下假設(shè)，某一參數(shù)達到適用溫度極限后保持不變；顆粒與強度相關(guān)參數(shù)根據(jù)配筋率加權(quán)確定，配筋率參見文獻［22］；顆粒的受拉和受剪參數(shù)使用鋼筋參數(shù)，受壓參數(shù)使用混凝土參數(shù)。

火區(qū)設(shè)置為兩種，如圖1所示，一是建筑右側(cè)，X＝15m，Y＝50m和Z＝50m，即在建筑右側(cè)，高程為50m～100m，貫穿建筑Y方向；二是貫穿建筑整個橫斷面，X＝50m，Y＝50m和Z＝50m，即在建筑中部，高程為50m～100m。初始狀態(tài)在上述火區(qū)位置設(shè)置均布火源，溫度分別為1000℃，1200℃，1400℃和1600℃，模擬開始后熱量擴散形成有梯度的溫場。

該建筑火災(zāi)模擬過程參考文獻［22］。

4 模擬結(jié)果分析

對單側(cè)火場和雙側(cè)火場進行模擬，模擬溫度分別設(shè)置為1000℃，1200℃，1400℃和1600℃。設(shè)置于如圖1所示位置后熱量開始擴散，導(dǎo)致建筑構(gòu)件溫度升高，力學(xué)性能下降，建筑發(fā)生破壞。從建筑坍塌結(jié)果可以看出，前三個起始設(shè)置溫度下建筑的坍塌形式類似，只是所需時間不同。所以只給出1000℃和1600℃時的建筑坍塌過程。

4．1 單側(cè)建筑火災(zāi)模擬與分析

1000℃，1200℃和1400℃單側(cè)建筑火災(zāi)的建筑坍塌形式相同，但所需時間不同，這里只詳細論述1000℃時的建筑坍塌過程。表3中火區(qū)設(shè)置位置周圍呈現(xiàn)了不同顏色，這是由于設(shè)置火區(qū)后在模擬過程中熱量擴散造成的，而不同溫度設(shè)置了不同顏色進行表示。

從表3可以看出，明顯的建筑破壞過程出現(xiàn)在75min之后。在這之前，建筑構(gòu)件劣化及損傷處于累積階段。主要出現(xiàn)破壞位置為建筑31m變階處及火區(qū)設(shè)置位置上部。一般情況下，由于火區(qū)設(shè)置在右側(cè)核心筒位置，由于該處是承重主體，將首先破壞，使建筑向右整體傾倒，但實際并未發(fā)生。其原因在于，左側(cè)兩核心筒對建筑的牽引作用，加之左右核心筒之間建筑結(jié)構(gòu)的支撐作用，使建筑整體并未出現(xiàn)向右傾倒的現(xiàn)象。所以在75min時，建筑左側(cè)核心筒由于抵抗建筑向右傾倒，在31m變階處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使該位置核心筒發(fā)生斷裂。斷裂后，上部核心筒依然完整穩(wěn)定，與中部連接結(jié)構(gòu)連接完好，確保建筑重心未向右較大偏移?；饏^(qū)設(shè)置位置邊緣建筑構(gòu)件溫度變化劇烈，使構(gòu)件局部產(chǎn)生斷裂破壞。綜上可知，該類型結(jié)構(gòu)建筑在單側(cè)受到火災(zāi)后可保持整體坐塌破壞。做為對比，對較為簡單的高層建筑結(jié)構(gòu)［22］在一側(cè)施加火場進行模擬，其結(jié)果顯示在火災(zāi)發(fā)生的一段時間后，建筑將向一側(cè)傾倒破壞。從控制地面建筑殘骸分布范圍來看，該類建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)于簡單均勻結(jié)構(gòu)建筑。

從75min～105min，建筑處于快速坍塌過程。此時，建筑形成兩個貫穿建筑橫斷面的破壞帶，一個是31m變階處，另一個是火區(qū)上部位置。31m變階處發(fā)生坐塌的速度大于火區(qū)上部。原因在于31m變階處形成的貫穿破壞帶包括了全部核心和核心筒之間的連接建筑結(jié)構(gòu)，是完全破壞?；饏^(qū)上部破壞帶主要為4個核心筒位置，而連接部分相對完好，阻礙了坐塌發(fā)生。在此過程中，建筑左側(cè)兩核心筒連接部分結(jié)構(gòu)逐漸與這兩個核心筒分離，破壞速度減慢，其結(jié)構(gòu)明顯高于建筑物，這也說明了其對坐塌的阻礙作用。

表3 單側(cè)火區(qū)1000℃時的建筑坍塌過程Table．3 Building collapsed with one side fire area 1000 ℃

從105min～200min，建筑依然發(fā)生坐塌破壞，但坐塌原因已發(fā)生改變，即失穩(wěn)破壞。前期坐塌是由于火災(zāi)造成的建筑結(jié)構(gòu)破壞所導(dǎo)致。此時火災(zāi)發(fā)生區(qū)域已完全坐塌，之后建筑的坍塌速度降低。該階段建筑坍塌的主要原因為前期坍塌破壞了建筑基礎(chǔ)，不再具有承受建筑重力作用的條件；同時由于前期建筑坐塌使上部建筑具有了一定的向下速度；而且前期坐塌破壞使上部建筑結(jié)構(gòu)整體性降低，構(gòu)件斷裂?；谏鲜鋈c，建筑在此期間將繼續(xù)發(fā)生減速坐塌，直至完全破壞。400min時，建筑破壞停止，坐塌結(jié)束。地面建筑殘骸分布均勻，在建筑位置四周殘骸沒有明顯方向性，這是坐塌的特點，也是保證周圍建筑安全的理想坍塌形式。

圖4顯示了單側(cè)火區(qū)1600℃時的建筑坍塌過程，與1000℃時相比，總體相似，但也有一定的區(qū)別?；饏^(qū)初始溫度設(shè)置為1600℃時，建筑的坍塌過程比1000℃時大約提前25min～35min。這是由于初始溫度提高加速了建筑構(gòu)件力學(xué)性能的劣化，進而加快了構(gòu)件損傷累積，導(dǎo)致建筑提前坍塌破壞。建筑坍塌主要形式為坐塌。

50min時建筑開始明顯坐塌，坐塌位置為貫穿建筑橫斷面的31m變階處和火區(qū)上部。此期間與1000℃時70min前階段相似。但由于初始溫度提高，溫度擴散區(qū)范圍明顯大于1000℃時的范圍。擴大的溫度范圍使更多建筑構(gòu)件由于溫度變化而破壞。

60min～80min階段，火區(qū)部分右側(cè)核心筒破壞迅速，建筑迅速坐塌。由于右側(cè)核心筒向下快速移動，牽引中部連接結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)牽引左側(cè)核心筒，左側(cè)核心筒相對完整阻礙了坐塌。受到左右兩側(cè)核心筒相對錯動的中間連接結(jié)構(gòu)逐漸破壞分離，該階段坐塌速度最快。

80min～200min階段，由于火災(zāi)原因?qū)е碌慕ㄖY(jié)束，該階段建筑坍塌與1000℃時105min～200min的建筑坍塌原因相同。最終坍塌停止時的殘骸分布與1000℃時相似。

總結(jié)單側(cè)火區(qū)建筑的坍塌特點，建筑整體為坐塌破壞，這與建筑特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)；主要坐塌位置為31m高變階位置和火區(qū)上部兩處；前期坍塌由于火災(zāi)，后期由于結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)坍塌；該類型建筑有利于火災(zāi)坍塌后殘骸分布范圍控制。

4．2 雙側(cè)建筑火災(zāi)模擬與分析

該類建筑結(jié)構(gòu)的雙側(cè)火區(qū)建筑坍塌過程比單側(cè)簡單。因為該類建筑是中心對稱結(jié)構(gòu)，貫穿于建筑橫斷面的火區(qū)設(shè)置使建筑左右破壞對稱。

表5和表6分別給出了該建筑1000℃和1600℃時雙側(cè)火區(qū)設(shè)置后的建筑坍塌過程。相比于單側(cè)火區(qū)建筑的坍塌過程，分別加快了7min～30min和10min～20min。7min和10min對應(yīng)于明顯坍塌開始時間；30min和20min對應(yīng)于因火災(zāi)造成的建筑坍塌時間。建筑破壞時間提前明顯與火區(qū)設(shè)置有關(guān)，火區(qū)越大，坍塌越快。坍塌過程的明顯不同在于雙側(cè)火區(qū)建筑坍塌時上部建筑整體性較強，即不會出現(xiàn)左右兩側(cè)核心筒的相對錯動，所以兩側(cè)核心筒和連接結(jié)構(gòu)是相對完整的。這影響了后期建筑坍塌的速度和形式，如前述建筑因火災(zāi)坍塌停止后繼續(xù)坐塌，坐塌原因有三個，其中之一是上部建筑結(jié)構(gòu)破壞所致。因為雙側(cè)火區(qū)上部結(jié)構(gòu)完整，不利于坐塌發(fā)展。另外，因火災(zāi)坍塌速度也由于上部建構(gòu)完好而降低。所以200min時，建筑的剩余高度和完整性均高于單側(cè)火區(qū)坍塌結(jié)果。單側(cè)和雙側(cè)建筑坍塌殘骸分布相似，沒有明顯區(qū)別。

表4 單側(cè)火區(qū)1600℃時的建筑坍塌過程Tab．4 Building collapsed with one side fire area 1600℃

表6 雙側(cè)火區(qū)1600℃時的建筑坍塌過程Tab．6 Building collapsed with two side fire areas 1600 ℃

該類建筑結(jié)構(gòu)遇火災(zāi)的坍塌特點為，與一般結(jié)構(gòu)建筑相比，當(dāng)單側(cè)建筑受火災(zāi)時，該類建筑可能保持坐塌，而一般結(jié)構(gòu)建筑將發(fā)生傾倒。雙側(cè)火區(qū)與單側(cè)相比，建筑開始明顯坍塌時間較快，建筑因火災(zāi)坍塌階段時間較短，后期建筑失穩(wěn)坐塌破壞較慢。不同溫度下的坍塌對比結(jié)果為，1000℃時破壞發(fā)展對應(yīng)時間均晚于1600℃時的破壞發(fā)展，1200℃和1400℃火災(zāi)時建筑破壞發(fā)展時間是上述兩溫度對應(yīng)時間的線型插值。

5 結(jié) 論

（1）使用顆粒流模擬建筑并實施了火災(zāi)模擬。通過模擬結(jié)果可知，該類多核心筒中空建筑，在一側(cè)受火災(zāi)作用坍塌情況下，較結(jié)構(gòu)簡單的高層建筑更易出現(xiàn)坐塌破壞。坐塌破壞使建筑殘骸在地面分布較小，所以該類建筑更有利于火災(zāi)坍塌災(zāi)害控制。

（2）總結(jié)了該類建筑火災(zāi)坍塌特點。單側(cè)火區(qū)建筑的坍塌特點有，建筑整體為坐塌破壞，這與建筑特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)；主要坐塌位置為兩處，31m高變階位置和火區(qū)上部；前期坍塌由于火災(zāi)，后期由于結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)坍塌。雙側(cè)火區(qū)與單側(cè)相比，建筑開始明顯坍塌時間較快，建筑因火災(zāi)坍塌階段時間較短，后期建筑失穩(wěn)坐塌破壞較慢。1000℃時破壞發(fā)展對應(yīng)時間均晚于1600℃的情況。