火災時鋼筋混凝土結構可靠性評估方法研究綜述

田宏 陳禹卿

在各類工用民用建筑中，混凝土結構和鋼結構占有非常大的比重。但經過火災時，高溫場的作用后，鋼筋混凝上構件發生十分嚴重的的材料性能的劣化，構件內部的內力將重分布，使結構的承載性能迅速削弱，并產生明顯的結構變形，會危及結構的整體穩定性，導致

結構發生局部損壞甚至造成整體倒塌。工用建筑中，鋼結構以其強度高、重量輕、抗震性能好等優勢在工程中得到了廣泛應用。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，鋼結構基本喪失全部的力學性能。因此，鋼結構建筑面臨的最大問題就是火災影響。例如： 2001年“911”恐怖襲擊，恐怖分子劫持民航飛機撞擊世貿雙塔樓，爆炸造成世貿中心承重鋼結構的防火保護層脫落，隨后的火災使鋼結構的力學強度性能大幅削減，導致著火樓層柱群失穩，造成了導致世貿中心坍塌的慘劇，在這次災難中共有3000多人死亡或失蹤。因此，研究建筑結構的抗火性能，在火災發生后減損，減少傷亡也是我們應該關注的研究內容。研究建筑結構抗火強度的傳統方法，通常根據首先確定結構的力學模型來對結構進行抗火分析。又由于建筑結構在其設計、施工和使用過程中比如存在的不確定性，傳統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。其中安全系數的取值，根據工程事故的發生率的隨時進行調整，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的發展要求。

按照《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068一2001）中的規定，結構構件的可靠性應該包括安全性、適用性和耐久性。一般情況下這三者是相互關聯的，結構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。盡管現行的結構可靠性設計統一標準及有關規范己包含結構耐久性的概念，但在結構設計中并未考慮一些由于突發的偶然事件造成結構性能發生的變化，影響結構的安全性。由此可見，將可靠性理論應用于建筑結構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，定量的建筑結構抗火可靠性評估方法，分析火災對結構可靠性的影響，從而評估結構的抗火可靠性，當火災發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損失，變得極為緊迫和必要。

一、火災環境模型研究進展

建筑結構抗火設計的研究主要可分為以下四個方面： 結構在火災下的反應研究，火災環境研究、火災后結構的損傷評估與修復加固研究、抗火設計方法研究。人們在研究建筑結構抗火分析與設計時，首先關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據來取得結構構件的抗火性能并制訂了標準火災升溫曲線。目前國內采用最多的是國際標準組織制訂的火災升溫曲線，對于一般的室內火災，火對建筑結構力學等性能的影響性主要體現在轟燃現象發生以后，此時建筑物內所有可燃物都在劇烈的燃燒，并且室內空氣場分布均勻。各國學者通過對火災的資料數據進行統計分析，歸納出幾種室內火災的空氣升溫過程，如馬忠誠模型、ASCE模型和歐洲規范模型等。

建筑材料的力學性能隨溫度升高而劣化的過程與其內部各點的溫度變化密切相關。火災發生時，燃燒物質所釋放出的熱量通過輻射、對流以及傳導等方式將熱量傳遞到結構構件的表面，同時也傳遞到結構構件的內部。但混凝土是一種熱惰性材料，它的熱傳導系數較小，受火時混凝土內部的溫度隨其距構件表面距離增大而迅速減小。這種構件內部的溫度場隨著火災時間不斷變化，一般可以用傅里葉導熱微分方程求解。

根據文獻，金賢玉給出了一種較為精確的計算構件內部溫度場的方法，采用差分法分析了受火的混凝土構件內部溫度場的情況。利用有限元法計算構件內溫度場也比較精準，一般假設梁、柱等構件的溫度沿軸線方向不變，將三維問題簡化成二維問題。火災時構件內的溫度場求解是一個非線性瞬態問題。其中根據火災時室內溫度變化規律，利用熱傳導方程的方法得到了火災時鋼混結構內部的溫度場分布，并分析分析了樓板中的鋼筋構件在火災時的升溫規律，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，并改進了火災下組合樓板內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部溫度變化的影響參數進行分析，得到了簡化公式。

對于鋼構件來說，由于其本身的材料特性、力學特性，可分為輕型鋼構件和重型鋼構件。鋼材有極強的導熱性，因此可假設輕型鋼構件同一截面上的各點溫度相同；而重型鋼構件由于截面過大，則不能認為截面上各點溫度完全相同。目前研究人員根據構件單位長度的表面積與體積之比來劃分輕型鋼構件和重型鋼構件。

二、火災下建筑結構構件可靠性的研究進展

目前，可靠度理論在工程應用中已擴展到結構設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者便開始對結構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構構件可靠性的十分關鍵的核心內容。1986年，國際標準化組織發布了《結構可靠性總原則》，并在1998年發布了修訂版，推進了結構可靠度評估方法和設計理論的發展。早期的可靠度計算只考慮隨機變量的均值和方差，現行的《混凝土結構設計規范》；以及《鋼結構設計規范》采用的是以可靠度理論為基礎的概率極限狀態設計法，采用可靠度指標來度量結構構件的可靠性。

火災作用下建筑結構的可靠性分析的研究涉及的學科范圍較廣，目前國內外相似研究領域的一些文獻為開展此項研究提供了必要的理論基礎。總結了結構性能劣化的原因，提出了一種與規范推薦的方法相協調的，考慮抗力隨時間變化的研究結構可靠度的分析方法。研究了構件和系統的時變可靠性。通過具體算例說明最小抗力點是結構可靠度分析的關鍵點。提出了在不同大氣環境下混凝土結構可靠度的方法，計算了不同影響參數對鋼筋混凝土結構可靠度的影響，如環境不同、混凝土強度不同，保護層厚度不同等。分析了火災時鋼筋混凝土梁截面的溫度場分布，建立了火災后梁的抗力模型和極限狀態方程，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。在的基礎上，考慮了荷載和抗力在火災發生前隨時間衰減的動態可靠性。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后混凝土柱的可靠度的影響。對火災時升溫過程的影響參數的隨機性進行了研究，構建了影響參數的概率模型，并用蒙特卡洛法對升溫過程影響參數的隨機性進行模擬和驗證。

參考文獻

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