摘要：總結了高聳結構火災發生的主要原因，分析了國內外對混凝土和鋼材這兩種主要的結構材料的抗火研究進展�；�于結構抗火的設計方法，對結構抗火研究的趨勢及其對關鍵問題作了總結。

    1.  概述

    高聳結構指的是高度較大、橫斷面相對較小的結構；一般以水平荷載，特別是風荷載為結構設計的主要依據。由于高聳結構普遍較高，垂直距離較長，塔內功能復雜人員集中(多為觀光結構)，在遇到火災的情況下，人員不宜疏散且消防人員登高撲救困難。加之高聳結構多為全鋼結構，使其火災危險性大大增加。高聳結構中常見的鋼結構電視塔的火災主要發生在塔樓部分，一般距地面200m以上，而且設有旋轉餐廳、游覽觀光層、設備用房等。在鋼結構無防火保護或防火保護不徹底的情況下，火災可能引起整個電視塔的結構性坍塌。從已有火災資料來看，引起火災的原因主要有以下幾種情況：

    (1)電路設備老化。2000年，塔高540米的歐洲最高的電視塔，也是俄羅斯莫斯科市最著名的觀光景點奧斯坦金諾電視塔突然起火燃燒，導致全市電視節目停播。據事后調查分析，火災的原因在于傳輸發射信號的高能電纜明顯超負荷所致，電視塔內部電纜饋線過載使電纜過熱起火，而起火后3個小時才關閉電源則導致了火勢的蔓延�；馂漠a生的高溫使電視塔的加固鋼索受到不同程度的損壞。大火同時將電視塔的一個工作層徹底燒毀，一根距地面136米處的主要承重鋼梁也受到嚴重損壞。

    (2)雷擊。由于高聳結構普遍較高，雷擊也是引起火災的一個重要原因。2002年，位于沈陽市沈河區青年大街與濱河路交匯處的遼寧彩電塔內部40米至60米處起火，經消防官兵2個多小時的全力撲救，火勢被控制無人員傷亡。此外，2010年4月13日，上海東方明珠塔頂部起火，1小時20分鐘之后，撲救工作才基本結束。塔頂起火的原因是因為強雷擊中塔頂發射天線，引起天線外罩燃燒。

    (3)人為因素。施工引起的火災正逐漸成為高聳結構火災的主要原因之一。2009年，廣州新電視塔因工人違章燒焊，引燃內部裝修材料。起火點位于新電視塔樓約334米高的65層，短時間燃燒面積達300平方米，幾公里外均可見塔身冒出滾滾濃煙。

    2.  結構材料抗火研究

    火災對建筑物的影響源于火災高溫對結構材料的性能特別是力學性能具有顯著的影響。如結構鋼的屈服強度和彈性模量隨溫度的上升而下降，當溫度超過550℃時，普通結構用鋼材將喪失部分強度和剛度。火災時，建筑室內的空氣溫度半小時內可達800～1200℃，因此，無保護的鋼結構在火災中極易受到損害。另外，混凝土在火災高溫下會爆裂，其強度和剛度也會降低。2001年“9.11”事件中紐約世貿中心兩座110層411高的鋼結構大樓因飛機撞擊后發生的火災而倒塌，造成2830人死亡。2001年5月臺灣東方科學園鋼結構大樓(30層)發生火災，頂部數層的鋼梁發生局部屈曲，樓層最大撓度達30cm以上，鋼梁與鋼柱連接發生斷裂破壞。火災造成的結構破壞，除造成人員傷亡以及直接經濟損失外，還可能造成更大因結構功能失效的間接經濟損失。國內外統計表明，火災引起結構失效造成的間接經濟損失，約為火災直接損失的3倍�？梢姡�進行結構抗火理論研究有重要意義，通過系統的理論研究，建立科學的結構抗火設計方法，以避免因結構在火災中破壞或倒塌所造成的人員傷亡，并減少因結構在火災中的破壞或倒塌所造成的經濟損失。

    2.1 混凝土結構抗火研究

    為保證結構抗火安全，國際上從20世紀50年代開始重視結構抗火研究。波特蘭水泥協會、美國混凝土協會，美國預應力混凝土協會、歐洲國際混凝土協會先后成立混凝土結構抗火研究小組，主要研究了混凝土的高溫材性，梁、柱和樓板的抗火性能與計算方法及框架的火災反應。國內也對混凝土的受火性能及反應進行了一系列研究。

    國內外學者都給出了混凝土和高強度混凝土的熱工性能(導熱系數、比熱、質量密度和熱膨脹系數)的函數表達式。由于實驗方法的不一致和材料本身的離散性，不同學者給出的函數表達式大致規律基本相同，但相互之間偏差較大，故在此不再贅述。此外，有關混凝土表面與周圍氣體的對流換熱系數和輻射換熱系數，不同學者給出的結果偏差也較大。國內外學者對高溫下混凝土的力學特性進行了大量研究。實驗結果表明，高溫下混凝土的力學性能總體上呈現隨溫度升高逐漸劣化的趨勢。主要表現為隨著溫度的升高，混凝土的強度和彈性模量逐漸降低—其中彈性模量的降低速率通常比強度更大，混凝土的峰值應變逐漸增大，混凝土的單軸應力應變曲線越來越扁平，鋼筋和混凝土的粘結強度下降，極限滑移量增加，混凝土的徐變明顯加快，在高溫下會產生瞬態熱應變。高溫下混凝土在多軸應力狀態下的抗壓強度也有相關的試驗研究報道，在相應的應力比和溫度水平下，混凝土的雙軸抗壓強度要高于相應的單軸抗壓強度。目前尚未見高溫下混凝土三軸應力狀態下的強度試驗研究報道。溫度應力途徑對混凝土的高溫本構關系影響較大。高溫下混凝土的本構關系是混凝土高溫數值模擬的基礎，混凝土的高溫本構關系研究一直是國內外研究的熱點。圖1和圖2分別給出了高溫后混凝土應力-應變特性曲線和40MPa混凝土高溫后應力-應變曲線試驗與理論計算的對比結果。

    由于高強度混凝土的內部微觀結構非常致密，阻礙了高溫下內部蒸汽壓力的有效釋放，導致火災過程中常常出現嚴重的爆裂現象。試驗結果表明，火災作用下高強度混凝土構件的表面爆裂深度常�？珊�蓋整個鋼筋保護層。爆裂問題的關鍵是定量確定爆裂發生的時間和爆裂深度。由于影響高強度混凝土高溫爆裂的因素十分復雜，如含水率、升溫速率、水灰比、混凝土強度等級、外加預應力、構件截面尺寸、骨料種類、鋼筋保護層厚度、養護方式、養護時間等。目前國內外學者雖然進行了大量試驗，但試驗結果比較離散，尚無法較準確地建立起爆裂發生時間及爆裂深度與各主要影響因素之間的定量關系。目前國際上已有能夠測量混凝土內部蒸汽壓的試驗裝置，以及模擬混凝土內部溫度分布和蒸汽壓力分布的熱和質量傳遞耦合數學模型，這些為火災下高強混凝土爆裂機理的深入研究奠定了基礎。

    2.2 鋼結構抗火研究

    掌握高溫條件下結構鋼的性能是確定火災下鋼結構的結構性能的必要條件。與鋼結構抗火有關的材料特性主要包括強度(屈服強度、極限強度)、彈性模量、熱膨脹系數、應力-應變關系及熱傳導系數和比熱等熱工參數。

    國內外對高溫下結構鋼的材料特性進行較多的試驗研究，絕大部分的是進行恒溫條件的拉伸試驗，另有少量的恒載條件下的升溫試驗，試驗得到了常用的結構鋼的屈服強度和極限強度與溫度的關系，分別以表格和擬合公式的形式給出，由于高溫條件下結構鋼的應力-應變關系呈現很強的非線性，而對高溫下鋼結構構件的變形限制普遍比較寬松，因此對于如何確定高溫下結構鋼的屈服強度沒有統一的標準，導致各試驗得出高溫下結構鋼的屈服強度相差比較大，尤其是在400～550℃范圍時，所得的屈服強度折減系數相差很大，BSI標注和Euro code采用的是對應不同應變標準的屈服強度，而極限抗拉強度的結果都比較接近。有關結構鋼在高溫下完整的應力-應變關系的試驗數據報道不多，關于彈性模量的試驗細節報道也不多，普遍應用的是ECCS建議中采用的結果。我國對常用的Q235、Q345鋼及I、II級混凝土用鋼筋在高溫下的性能進行了試驗研究，積累了不少試驗數據，由于對應變傳感器的要求比較高，目前國內外對于高溫下結構鋼材料特性參數的取值都是各自根據自己的試驗結果進行統計擬合得到，以表格和擬合公式的形式給出，確定這些參數還沒有查到有文獻對高溫下材料強度取值的可靠度水平進行分析和考慮。

    熱膨脹系數是結構抗火性能中一個很重要的參數，材料熱膨脹系數的測試對測試儀器的傳感器精度有很高的要求，目前國內外對結構鋼和高強螺栓材料的熱膨脹系數進行過測試，結構鋼的膨脹系數隨溫度變化，溫度越高熱膨脹系數越大。關于高溫條件下結構材料的蠕變性能，國外曾進行相應的試驗研究，研究結果也被BSI和Euro code等標準采納，一般認為當鋼材的溫度不超過600℃，升溫速度不小于5℃.min-1時，蠕變可以不單獨考慮，而隱含在標準的應力-應變關系中，但是實際火災中，鋼材的溫度和升溫速度可能要超過這個范圍，日本學者給出高溫下結構鋼的蠕變的計算方法。但是總的來說，對高溫鋼結構材料的蠕變性能的研究不是很充分，尤其在預應力結構中，材料的蠕變和松弛對結構的性能有重要影響。圖3給出了鋼材的高溫屈服強度與室溫屈服強度之比以及高溫彈性模量與室溫彈性模量之比。

    目前進行鋼結構材料高溫特性試驗都是在按恒溫加載或恒溫兩種溫度荷載路徑進行，試驗結果的表達也是主要給出單一溫度下的材料特性參數和應力-應變-溫度關系函數，但因高溫下結構鋼呈現很強的塑性，應力-應變關系本來就與荷載路徑有關，同時還要考慮熱膨脹的影響，要給出一個統一的應力—應變—溫度函數非常困難，為便于應用，從塑性力學的原理，根據材料是出于加載或卸載狀態給出應力—應變的增量關系應該更便于結構分析應用。

    此外，國內外學者對鋼構件的抗火性能、鋼結構整體抗火性能，鋼-混凝土組合結構抗火性能進行了一系列的實驗研究和理論分析。

    3.  結構抗火設計方法

    結構抗火設計應滿足如下要求：結構抗火能力≥結構抗火要求。

    按這一要求，結構抗火設計方法可分為：

    (1)基于試驗的結構抗火設計方法，結構抗火能力有標準結構構件的標準升溫試驗確定；結構抗火需求根據建筑的重要性及火災的危險性，考慮構件的重要性，按構件以菜單的方式以耐火時間的形式在規范中給出；

    (2)基于計算的結構抗火設計方法。對傳統方法中結構抗火能力的確定進行改進，考慮構件的受力大小與受力形式、構件的截面尺寸、構件的約束形式對構件抗火能力的影響，利用熱傳導理論和結構理論通過分析確定構件的抗火能力，更符合客觀實際；

    (3)性能化結構抗火設計方法。對結構抗火需求進行改進，根據具體結構對象，直接以人員安全和火災經濟損失最小為目標，確定結構抗火需求；另考慮實際火災升溫及結構整體性能對結構抗火能力的影響。

    由于性能化方法以結構抗火需求為目標，最大程度地模擬結構的實際抗火能力，因此是一種科學先進的抗火設計方法。20世紀80年代和90年代英國和歐洲分別在BS5950 Part 8和EC3與EC4規范中采用傳統改進方法進行結構抗火設計。我國在現行的《建筑設計防火規范》和《高層民用建筑設計防火規范》中仍采用傳統方法進行結構防火設計，在2000年頒布的上海市標準《建筑鋼結構防火技術規程》中，首次采用了傳統改進法進行鋼結構抗火設計，但關于結構抗火安全的性能化設計方法，是同濟大學在國內外較早倡導的。

    4.  結構抗火研究趨勢及關鍵科學問題

    采用更精細的高溫材料模型，模擬真實結構的火災反應，是結構抗火計算理論的發展趨勢�？紤]建筑物的真實火災特性，基于整體結構的火災反應，進行結構火災風險評估，并以保障建筑物消防人員安全和降低結構抗火成本為目標，確定結構抗火性能指標，進行結構抗火設計，是結構抗火安全評價與抗火設計的發展趨勢。而要對結構抗火理論進行驗證，發展新的結構抗火試驗技術仍十分必要。為此，需重點開展下列科學問題研究。

    4.1 高溫下與高溫后材料特性的深入研究

    多軸應力下高溫材料特性、升溫和降溫反復作用對材料特性的影響、高溫下加載與卸載對材料特性的影響的試驗研究和理論分析；高溫下與高溫后材料力學性能定量演變規律的精細化研究，以及隨機特性的定量描述；高溫下與高溫后高強度混凝土爆裂規律和力學性能的定量研究。

    4.2 現代混凝土結構的火災行為研究

    高強混凝土結構、預應力混凝土結構、異型柱混凝土結構、已加固混凝土結構等現代混凝土結構的火災行為與災后性能研究；現代混凝土結構中構件抗火性能的定量化研究，以及相應的構件耐火設計方法。

    4.3 基于性能及可靠度的結構抗火設計方法研究

    結構抗火的性能化目標；滿足性能化目標的結構抗火設計標準；結構抗火設計中“抗力”和“荷載效應”的概率模型，以及模型參數隨溫度的定量變化規律；結構抗火的目標可靠指標。

    4.4 結構火災溫度效應研究

    大空間建筑火災升溫模型；大跨度結構受火升溫分析與實用計算方法；多高層結構受火升溫分析與實用計算方法。

    4.5 結構整體受火性能研究

    火災作用下結構連接節點的工作機理研究；火災下大跨度結構非線性反應及倒塌破壞機制研究；火災下多高層結構非線性反應及倒塌破壞機制研究；火災下建筑結構樓蓋薄膜效應及坍塌破壞機制研究。

    4.6 結構火災風險性能化評估方法研究

    火災下結構破壞對人員逃生影響的風險評估；考慮火災結構破壞的直接與間接經濟損失的結構最優防火保護的經濟性評估。

    4.7 結構抗火試驗新技術研究

    大型結構縮尺模型抗火試驗技術；基于子結構概念和聯機試驗思路的整體結構耐火試驗技術研究。

    5 . 結論

    本文總結了高聳結構火災發生的主要原因，并詳細分析了國內外對混凝土和鋼材這兩種主要的結構材料的抗火研究進展。基于結構抗火的設計方法，對結構抗火研究的趨勢及其中的關鍵問題作了總結。

    (上海興盛消防工程有限公司 汪平)