混凝土結構在火災高溫作用下的性能劣化與消防對策研究

摘要：隨著城市化進程的推進，建筑火災安全成為現代城市建設中的重要課題。本文基于火災高溫對混凝土結構的影響，深入探討了火災對混凝土抗壓強度、韌性、變形性能及裂縫擴展的作用機理，并提出了一種新的損傷評估模型。通過對上海市某高層商業綜合體火災案例的分析，結合溫度場分布與結構損傷分析，評估了火災高溫作用下混凝土結構的損傷程度。研究結果表明，火災高溫會顯著降低混凝土的力學性能，溫度梯度對裂縫擴展有著重要影響。

關鍵詞：建筑火災；損傷評估；高溫效應；消防策略

引言

近年來，隨著城市化進程的推進，建筑火災安全問題日益受到重視。特別是在多功能商業綜合體等高層建筑中，火災對混凝土結構的影響已成為建筑設計中的重要課題。國內外許多學者研究了火災高溫對混凝土結構的影響。例如，蔣樹屏等[1]的研究表明高溫作用下混凝土的韌性和變形能力顯著下降。張輝等[2]通過實驗研究發現溫度梯度是導致混凝土裂縫擴展的重要因素。王瀟等[3]提出了基于損傷力學的評估模型。本文在現有研究的基礎上，探討了火災高溫對混凝土抗壓強度、韌性、變形性能及裂縫擴展的影響，通過對實際工程項目的分析，進一步研究了火災高溫作用下結構性能劣化規律，為后續結構的修復提供了理論依據和實踐指導。

一、工程概況

本項目為一座位于城市中心的多功能商業綜合體，建筑總高度為80米，總建筑面積達到15萬平方米，涵蓋了購物中心、寫字樓、酒店及地下車庫等多種功能。建筑結構為混凝土框架-剪力墻結構，采用C30強度等級混凝土，樓板跨度最大達到16米。為了確保建筑在發生火災時的安全疏散與消防功能，項目在設計階段就特別重視防火安全，遵循了《建筑設計防火規范》和《高層民用建筑設計防火規范》中的相關標準。根據消防設計方案，建筑內每層的消防疏散通道寬度至少為2米，每層均配置了不少于10臺的自動噴水滅火系統。項目的火災危險性經風險評估為較高等級，特別對結構耐火性能的要求尤為嚴格。

二、火災高溫作用下混凝土結構性能劣化機理

（一）混凝土的物理力學性能與火災高溫的相互作用

混凝土作為一種復合材料，通常由水泥、骨料和水組成。在常溫下，混凝土表現出較好的抗壓強度與穩定性。然而，當混凝土暴露于火災高溫下時，其物理力學性能會發生顯著變化[4]。根據已有研究，混凝土的抗壓強度不僅隨溫度的升高而逐漸降低，這種降低還是非線性的。在溫度達到200°C時，混凝土的強度開始出現明顯下降，超過500°C時，抗壓強度損失可高達50%。這一現象主要是由于水泥中的化學成分在高溫下發生反應，水分蒸發、骨料熱膨脹不均所致。假設在火災初期，結構內部溫度達到且大于200°C時，可以使用以下公式來描述溫度對混凝土抗壓強度的影響：

其中，fc（T）為高溫下的抗壓強度，fc（20）為常溫下的抗壓強度，a為溫度系數，T為溫度。根據不同混凝土配合比的實驗結果，a取值在002—003之間。

（二）高溫對混凝土韌性與變形性能的影響

高溫對混凝土的韌性有著深遠影響。研究表明，高溫下混凝土的韌性和變形性能將發生顯著下降。在溫度超過400°C時，混凝土的變形能力急劇下降，表現為脆性增加。這主要是由于水泥基體中水分的蒸發、骨料與水泥之間的粘結力減弱以及微觀裂縫的增多。通過對該工程項目中混凝土柱監測數據的分析發現，在火災高溫作用下，柱的位移會顯著增加。以該項目中某一柱為例，在火災初期，柱體的溫度達到400°C時，位移增幅可達20%，而在600°C時，位移增幅可超過35%。此時，柱體的抗彎能力和穩定性大大下降，極易發生失穩或破壞。為了量化高溫對混凝土變形性能的影響，可以使用下列公式：

其中，ε（T）為高溫下的混凝土應變，ε0為常溫下的應變，β為溫度系數，T為溫度（單位°C）。研究結果顯示，β值通常為00005—00010，這意味著隨著溫度升高，混凝土的應變也會線性增加，表明高溫條件下混凝土更易發生塑性變形。

（三）火災條件下混凝土裂縫的形成與擴展

在火災高溫作用下，混凝土內部的裂縫發展主要受溫度梯度、濕度變化和混凝土本身的微觀結構影響。當混凝土受熱時，由于溫度的不均勻分布，內部產生的溫度梯度會導致熱應力的積累。隨著溫度的升高，混凝土內部的水分開始蒸發，產生蒸汽壓力，進而促使裂縫形成。實驗研究表明，溫度達到300°C時，混凝土中的水分開始顯著蒸發，裂縫的寬度可增加10倍以上，尤其是在骨料和水泥基體之間的界面[5]。裂縫擴展的一個重要指標是裂縫擴展速度v。研究表明，在火災初期，裂縫擴展速度與溫度T的關系可通過下列公式描述：

其中，v0為初始裂縫擴展速度，λ為溫度系數，T為溫度（單位°C）。通過對該工程項目的溫度場分布進行分析，在火災后30分鐘內，裂縫擴展速度可增加15倍，進一步證明了高溫對裂縫形成與擴展的促進作用。

（四）溫度場分布及其對結構劣化的影響

火災高溫在混凝土結構中的傳播速度和溫度分布對結構的劣化程度起著決定性作用。通過對工程項目中一段混凝土梁的熱傳導分析，假設火災發生30分鐘后，梁的表面溫度達到500°C，而內部溫度仍維持在200°C左右。溫度差異會導致溫度梯度的出現，進而引發熱應力。為了描述這一溫度場分布，可以使用一維熱傳導方程：

其中，T（x，t）為位置x和時間t時的溫度，a為混凝土的熱擴散系數，2T（x，t）x2為溫度的空間二階導數。根據分析，溫度梯度的形成將導致混凝土內部的熱應力分布不均，從而加速裂縫形成和擴展，進一步影響結構的承載力和穩定性。

（五）火災高溫作用下混凝土內部損傷評估與表征方法

為了有效評估火災高溫對混凝土結構的損傷，常采用基于損傷力學的模型來表征材料在高溫作用下的退化過程。損傷變量D的定義為：

其中，fc（T）為高溫下的抗壓強度，fc（20）為常溫下的抗壓強度。通過此公式可以定量評估混凝土的損傷程度。當損傷變量D達到05時，意味著混凝土的強度損失已達到50%。根據該工程項目的實驗數據，火災高溫作用下的損傷評估模型表明，在600°C時，損傷變量D可達到04—06，顯示出結構在火災中的潛在劣化風險。

三、火災高溫下的性能劣化評估與分析

（一）項目火災回顧與數據收集

在本工程項目中，火災發生在2019年夏季的一個高溫天氣。火災起源于地下車庫的一處電氣設備，火災迅速蔓延至上層，導致部分混凝土結構受熱嚴重。火災持續時間為60分鐘，火災高溫范圍達到了800°C以上。在火災發生后，工程團隊及時對火災區域的結構進行了詳細檢查，并收集了相關數據，包括混凝土表面溫度、裂縫寬度、位移量和損傷情況。在火災后的24小時內，多個監測點記錄了混凝土表面及內部的溫度變化。根據現場測得的數據，在火災高溫作用下，混凝土梁的表面溫度峰值達到750°C，結構內部的溫度約為450°C。此后，溫度逐漸下降，由于溫度場的非均勻性，導致混凝土內部不同區域的溫度恢復速度不同，進而影響了結構的損傷程度。表1總結了火災后24小時內不同監測點的關鍵數據。從表中可以看出，火災高溫的影響在不同位置表現出較大差異，尤其是在靠近火源的A點和B點，裂縫寬度和位移變化均較為顯著，表明這些區域的混凝土結構受損較為嚴重。

（二）火災高溫作用下結構的溫度場與損傷分析

溫度場的非均勻性直接導致了混凝土內部微裂縫的產生，裂縫隨著溫度的升高而擴展。通過分析火災后混凝土裂縫的擴展情況，發現裂縫的寬度與溫度密切相關。為了量化溫度場對結構損傷的影響，研究使用損傷變量計算式（5）來表征不同區域的損傷程度。通過對監測數據的分析，計算出火災高溫作用下不同區域的損傷程度，表2列出了關鍵區域的損傷變量。根據損傷評估模型，A點的損傷變量達到了060，表明該區域的混凝土結構已經嚴重退化，承載力大幅下降，而D點的損傷變量僅為020，表明該區域受損較輕。

其中，R（T）為高溫下的抗火性，R0為常溫下的抗火性，D為損傷變量。根據模型計算，當D達到060時，抗火性將降至原來的40%。這一結果表明，火災高溫區域的混凝土結構已經喪失了大部分的承載能力，亟須進行加固與修復。

四、消防對策與結構設計改進建議

（一）火災高溫下的消防應急響應策略

在本項目的火災應急響應過程中，消防團隊通過高溫熱成像技術對火源進行實時監測，結合溫度分布圖精準定位火災區域。這一過程能夠快速識別火源，并清晰地了解火災蔓延路徑。根據精準的火源定位和路徑識別，消防團隊有針對性地啟用了水霧噴灑系統與高壓滅火設備。這些滅火技術具有顯著優勢，能夠在火災初期有效控制溫度升高，并減緩火源的蔓延速度。同時，對于結構中耐火性較差的部位，如混凝土梁、柱等關鍵承重結構，消防團隊特別加強了滅火保護。通過大流量水霧系統和高壓滅火裝置，對這些區域進行了重點保護，精準地控制火災溫度，避免結構裂縫的進一步擴展和表面剝落。這一系列精準的消防應急響應與協同策略，使火災初期的高溫得到了及時有效的控制，為建筑物的整體結構安全提供了最大限度的保護（見圖1）。

（二）提高混凝土結構耐火性能的設計改進建議

為了增強混凝土結構在火災中的耐受能力，設計階段可以采取多項技術措施。首先，選用耐高溫性能更強的混凝土材料是提高結構耐火性的有效途徑。采用高強度耐火混凝土或在混凝土中加入高溫耐火性添加劑，如鋁酸鹽水泥或膨脹型添加劑，可以在高溫作用下顯著提升結構的穩定性。這類材料的抗火性能可有效延緩火災對結構的影響，從而為火災發生時提供更多的疏散和救援時間。其次，在結構設計中，可以通過增設耐火隔離層、外包防火涂料等方式來增強火災高溫下的保護性。例如，在混凝土結構表面涂覆耐火涂料，可以有效阻止火災時熱量的傳遞，減緩混凝土表面溫度的迅速升高，從而延長結構的耐火時間。此外，在設計中，可以增加混凝土表面的保溫層，利用多層材料的組合來降低熱量的傳導速度，從而降低高溫對結構的影響。最后，在設計過程中，應加強火災后的檢查與維護機制。通過對建筑物進行定期的火災安全檢查，尤其是對高風險區域的溫度和結構安全性進行監測，可以及時發現潛在的風險和損傷，采取必要的加固和修復措施，確保建筑物在經歷火災后仍能保持良好的使用狀態和安全性能。

結語

本文通過對建筑火災中高溫對混凝土結構影響的研究，提出了一種新的損傷評估模型，并結合實際火災案例提出了對應的消防策略。研究結果表明，火災高溫不僅顯著降低了混凝土的抗壓強度和韌性，還促進了裂縫的擴展。溫度梯度是影響混凝土裂縫擴展速度的重要因素，基于損傷力學的評估模型能更為準確地量化結構損傷，為實際工程的結構加固與修復提供了有力的理論支持。未來的研究應繼續關注高溫作用下混凝土的微觀損傷機制，并進一步完善火災高溫作用下的結構損傷評估與消防技術。

參考文獻

[1]蔣樹屏，張丹丹，胡學兵，等.鋼殼混凝土管節高溫破壞機制及防火保護技術研究[J].鐵道科學與工程學報，2023，20（12）：4655-4666.

[2]李治港.火災后中空型鋼混凝土柱抗震性能研究[D].長春工程學院，2023.

[3]崔旺，秦洪悅，張建飛.火災作用下鋼筋混凝土基礎隔震結構連續倒塌分析[J].水泥工程，2023（06）：79-85.

[4]劉歡.火災后偏壓方鋼管活性粉末混凝土柱的剩余抗力研究[D].山東建筑大學，2023.

[5]張亞明，李端洲.混凝土框架廠房火災后結構安全鑒定[J].安徽建筑，2023，30（08）：168-170.