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      钢结构抗火安全研究现状与发展趋势
  摘要:火灾引起的高温严重降低建筑钢材的强度和刚度,从而造成钢结构损伤、严重破坏甚至倒塌。20世纪90年代人们开始重视钢结构抗火理论研究,2001年美国"9???11"事件引起了世界各国对钢结构抗火问题的高度关注。结构抗火学科经过几十年的发展,已形成系统的抗火理论和设计方法,文章介绍火灾引起钢结构破坏的原因,论述结构抗火设计原则的发展过程,归纳近年来钢结构抗火研究的重大进展,指出钢结构抗火的重要发展趋势,供有关研究者参考。
  关键词:钢结构;抗火理论;抗火设计;研究进展;发展趋势;
  1.火灾引起钢结构严重破坏
  火灾高温对结构钢材的力学性能具有显著的不利影响,普通钢材的强度和弹性模量会随着温度的升高急剧降低,例如温度超过600℃后,普通钢结构将失去大部分的强度和刚度。火灾中空气的温度可迅速达到1000℃,无防火保护和防火保护失效的钢结构在火灾中极易受到损害。近年来,国内外发生了多起重大的火灾事件,造成钢结构建筑严重破坏。
  2001年9月11日,美国发生了举世震惊的恐怖袭击事件,纽约世贸中心两座110层411m高的钢结构大楼(WTC1和WTC2)受到飞机的撞击而发生大火(图1(a)),两座摩天大厦先后轰然倒塌,其中WTC1在客机撞击后103min倒塌,而WTC2在撞击后56min倒塌[1]。飞机撞击引发的火灾,首先引起楼盖桁架梁坍塌,而梁的塌落使柱失去侧向支撑,使柱的计算长度增大,柱的承载力降低,当柱的承载力不足以承受其所受的荷载时,结构即发生整体倒塌(图1(b))。
  2005年2月12日,西班牙马德里市中心的温莎大厦发生火灾,导致了大厦部分楼层发生坍塌(图2)。
  大厦高106m,地上32层,结构形式为钢结构和混凝土组合结构,起火层外围部分钢柱由于受火而迅速升温,强度迅速降低,从而无法支撑上部的荷载而破坏,引起楼层的局部坍塌[2]。
  2006年5月4日,比利时布鲁塞尔国际机场飞机维修库发生大火,大火将飞机维修库基本烧毁(图3),致使公司恢复运营需要的投入达数十亿欧元[3]。飞机维修库为大跨度钢结构建筑,由于飞机维修库存放有大量的燃料和可燃物,火灾功率较大,空气温度迅速升温,造成钢结构屋盖的整体坍塌。
  (a)飞机维修库的大火(b)飞机维修库的整体坍塌图3比利时布鲁塞尔飞机维修库的破坏Fig.3DamageofaircraftmaintenancelibraryinBrussels,Belgium2007年4月29日,一辆满载8600加仑无铅汽油的油罐车,由于操作不当在旧金山至奥克兰东湾多条高速公路匝道交汇的中枢点路面翻侧,引起大火[4](图4(a))。出事路段属湾区交通枢纽之一,高架桥上下路段每天至少有8万车次通行。大火持续两个多小时,产生的高温致使I-580东行公路一段高架路段中的高架钢桥坍塌(图4(b))。
  (a)油罐车失控引起的大火(b)桥面的整体坍塌图4美国旧金山-奥克兰高速公路桥的破坏Fig.4DamageoffreewaybridgebetweenSanFranciscoandOaklandinUS2013年9月2日晚,温州市瓯海区亿俐德海绵制品公司2层钢结构厂房,因生产过程中操作不当引发火灾(图5(a)),过火面积达6700m2,造成厂房大面积坍塌(图5(b))[5]。
  (a)操作不当引起的大火(b)结构的整体坍塌图5中国钢结构厂房在火灾中的破坏
  2钢结构火灾下破坏的原因
  2.1火灾下空气升温速度快建筑屋内通常具有较多的可燃物,遇到明火后,在氧气的助燃下通常会起火,如果不能及时得到控制就会发生火灾。一般建筑火灾(小室火灾)的发展有3个阶段,初期增长阶段、全盛阶段和衰退阶段。火灾初期空气温度较低,燃料燃烧较慢,如果此时没有成功灭火,燃料很快就会发生轰然而进入全盛阶段,图6为典型火灾下空气的温度与燃烧时间的关系。从图6中可以看出,轰燃发生后空气的温度会迅速升高,通常在几分钟内可达1000℃,而此时火势很容易失去控制,给灭火造成极大的困难,国际上一般采用ISO-834标准升温曲线来模拟小室火灾的空气升温。
  图6建筑火灾的发展阶段Fig.6Developmentstagesofbuildingfire钢材是热的良导体,火灾下燃料燃烧释放到空气中的热量会迅速通过热传导、对流和辐射的方式传递到钢构件中,从而会引起钢结构的迅速升温。无防火保护的钢构件,通常20min内温度可升到600℃以上。
  2.2钢材强度和刚度随温度增加衰减快常温下钢材具有较高的强度和较大的弹性模量,随着温度的升高,钢材的强度和弹性模量迅速下降。
  图7为高温下钢材的典型应力-应变关系曲线,随着温度的升高,钢材的抗拉强度明显降低。图8为欧洲规范[6](EC3)、美国规范[7](AISC)、英国规范[8](BS5950)和中国规范[9](GB51249—2017)给出的钢材的强度和弹性模量与温度的关系曲线,从图中可以看出,600℃下钢材的屈服强度和弹性模量下降到常温下的40%左右。
  图7高温下钢材的典型应力-应变曲线Fig.7Typicalstress-straincurvesofsteelatelevatedtemperature(a)钢材的屈服强度与温度的关系(b)钢材的弹性模量与温度的关系图8钢材的力学性能指标随温度的退化Fig.8Deteriorateofmechanicalpropertiesofsteelatelevatedtemperatures2.3钢结构高温下承载力的降低钢结构的承载力是由钢材的强度和刚度决定的,火灾下随着钢材温度的上升,强度和刚度会逐渐衰减,从而造成钢结构的承载力降低,如图9所示。火灾下钢结构承受的建筑物的荷载一般没有明显变化,但当钢结构的温度升高到某一数值时,钢结构就会因承载力不足以承受其上的荷载效应而发生破坏,火灾下结构发生破坏时的温度也称为临界温度(Tcr),一般Tcr不超过600℃。
  3结构抗火设计方法的发展
  结构抗火设计的原则是确保火灾发生后规定时间内的结构安全。所谓规定时间,是指结构耐火时间要求,各国根据建筑物的重要性、火灾的危险性和结构构件的重要性,综合考虑人员和财产安全及火灾救援因素,确定了不同建筑物的各类结构构件的耐火时间要求,也称为耐火极限(需求),一般为0.5h~3h。
  结构抗火设计的原则是结构具有的耐火能力(火灾中结构保持不破坏而能持续的最长时间)应不低于其耐火极限(需求)。
  结构抗火设计的核心问题就是如何确定结构具有的耐火能力和规定的耐火极限(需求),针对这一问题采用不同的方法,结构抗火设计经历了3个阶段:即基于试验的传统方法、基于计算的现代方法、基于性能目标的性能化方法。
  图9钢构件火灾下承载力下降示意图Fig.9Sketchofreductionofloadbearingcapacityofsteelmembersinfire3.1传统方法传统方法是基于标准试验的结构抗火设计方法。
  结构抗火试验方法的使用可以追溯到17世纪90年代,德国在18世纪80年代开始进行定量的抗火试验研究,而美国和英国开始于18世纪90年代。18世纪90年代后期进行的大量关于抗火试验方法的探索,为19世纪初期的试验方法标准的形成奠定了基础。
  1918年美国材料与试验协会(ASTM)颁布了第一版抗火试验标准E119[10]。国际标准化组织(ISO)在1975年颁布了第一版建筑构件耐火试验标准ISO834,经过了1979年和1980年两次修订后,在1999年变更为ISO834-1[11]。我国1988年以ISO834为基础,颁布了我国的第一版建筑构件耐火试验方法GB/T9978。提出以标准升温曲线作为试验条件,测试结构构件承载力失效时的耐火时间,以此确定结构构件的耐火能力,由此判断是否满足规定的耐火极限[12]。该方法简单、明确,但成本高,对于大规格实际构件难以试验,且没有考虑火灾真实场景和结构构件间约束效应对构件耐火能力的影响。
  一般钢构件在标准火灾下的耐火能力不超过20min,不能满足规定的耐火极限(需求),需采用防火保护措施(多采用防火涂料)延缓火灾下钢构件的升温,使钢结构的耐火能力满足规定的耐火极限(需求)。为确定钢结构满足规定耐火极限(需求)的防火涂料厚度需求,传统方法采用标准构件,以标准升温曲线和标准荷载作为试验条件[12],测试采用涂料保护的钢构件的耐火能力,通过判断达到规定的耐火极限(需求)作为所需防火保护措施的设计依据[13]。这种方法虽然简单,但没有考虑实际构件截面大小、实际荷载大小和结构构件间约束效应的影响,不太科学。
  3.2现代方法现代方法基于热传导理论、材料和结构力学,计算结构耐火极限需求的时间范围内结构构件的受火升温,采用材料高温特性,计算构件高温极限承载力,判断是否不小于火灾时结构构件组合荷载下的内力,以此确定结构抗火安全。
  基于计算的现代方法与基于试验的传统方法相比,可以考虑实际荷载大小、构件截面大小和构件间约束效应对构件耐火能力的影响,具有很大的进步。
  但仍采用规范规定的结构耐火极限(需求),且一般不考虑真实火灾场景对结构构件耐火能力的影响。
  3.3性能化方法性能化方法以现代方法为基础,基于火灾科学模拟真实火灾场景,考虑真实火灾对结构构件耐火能力的影响,同时不再采用统一菜单式的结构耐火极限(需求)规定,而是基于风险分析,设定业主和管理部门均接受的结构耐火性能目标,通过分析计算,以结构在真实火灾场景下满足设定的耐火性能目标作为结构抗火安全设计依据。
  结构抗火设计性能化方法虽然科学、合理,但仍有许多理论和实际应用问题没有完全解决,目前在工程中的应用还不十分普遍。
  3.4钢结构抗火设计规范的发展国际上从20世纪70年代开始进行钢结构的抗火研究,在80和90年代已经取得了相当丰富的科研成果,并编制了基于计算的钢结构抗火设计规范。其中以英国钢结构设计规范BS5950中的结构抗火部分BS5950-8[8]最有影响,提供了较为完整的基于计算的结构抗火设计现代方法。欧洲钢结构规范[6](BSEN-1993)中的Part1.2为钢结构抗火设计部分,即BSEN1993-1-2,该规范在2005年取代了BS5950-8,并规定BS5950-8在2010年3月废止。目前,欧洲规范的抗火设计理论,即基于计算的结构抗火设计方法,被认为代表了结构抗火的较高水平。
  美国在结构抗火领域开展研究也较早,1974年在国家标准局成立了火灾研究中心;1990年成立了建筑与火灾研究实验室,进行了大量的钢结构抗火试验研究;2001年的“9·11”事件大力促进了美国的结构抗火从科学研究进入工程应用阶段;2005年,美国钢结构设计规范AISC360-05首次将钢结构防火设计纳入附录中[14],该附录提供了钢框架结构体系和构件,包含柱、楼板和桁架体系在火灾下的设计标准,并推荐了两种结构抗火分析方法,即高等分析方法和简单分析法,分别适用于整体结构体系的抗火分析和温度均匀分布的单个构件抗火分析;2010年,美国钢结构设计规范AISC360进行更新,新的版本AISC360-10[7]中关于结构防火设计的内容基本保持不变。
  我国早在1956年就建立了建筑设计暂行防火标准,1974年颁布了《建筑设计防火规范》,经历了1987年、2006年和2014年4个版本。现行《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)[15]中对结构构件的耐火极限做出了明确规定。由于早期研究水平和设计技术的滞后以及管理体制的制约,现行钢结构的防火保护设计,仍然采用基于试验的传统方法。我国从20世纪80年代末开始开展钢结构抗火研究,经过了多年的积累,2006年颁布了基于计算的钢结构抗火设计方法的技术标准:《建筑钢结构防火技术规范》。2007年10月国家标准《建筑钢结构防火技术规范》编制工作正式启动,2012年该规范通过专家审查,2016年通过公安部审批,2017年7月31日被住房和城乡建设部正式批准为国家标准[9],自2018年4月1日起实施。
  4钢结构抗火研究的重大进展
  几十年来,钢结构抗火研究在多个领域取得了较大进展,主要集中在建筑火灾升温、钢结构升温计算、防火保护隔热性能确定、高温下结构钢材料性能、高温下钢构件承载能力、结构构件火灾下的约束效应等几个方面。
  4.1建筑火灾升温关于火灾中空气的升温,消防工程专业对火灾燃烧特性进行了大量的理论与实验研究,但是其研究主要注重在烟气扩散方面,而对结构起主要作用的是火灾引起的高温。火灾中空气的温度上升情况主要取决于可燃物的数量和通风状况,对于一般室内火灾,人们提出了多个基于参数化升温模型,例如:马忠诚模型[16]、ASCE模型[17]、欧洲规范模型和瑞典模型[18],但一般民用建筑火灾采用偏于安全的ISO834标准升温曲线[19]即可。由于大跨度建筑屋盖一般采用钢结构,而建筑空间大,火灾难以轰燃,且屋盖离地面(或楼面)高度大,仅受火灾烟气影响,有其特殊性(图10),为此同济大学[20-21]对大空间火灾的烟气升温做了系列研究。一般室内火灾和大空间火灾的典型升温曲线如图11所示。
  图10大空间建筑火灾Fig.10Fireinthelargespacebuilding图11建筑火灾的升温曲线Fig.11Firecurvesofbuildingfire4.2火灾下钢结构的升温确定火灾下结构构件内部的升温过程是进行结构抗火分析和设计的一个重要环节。国内外基于热传导理论对火灾下构件的升温过程计算方法进行了分析研究,计算方法有解析法和数值方法。实际工程中仅有极少的标准火灾升温条件下的构件升温可用解析法求解,但是可以基于解析法和参数分析给出构件升温计算简化方法,同济大学给出了标准升温条件截面温度均匀分布的钢构件升温计算公式[22-23]。数值方法主要有有限差分法和有限单元法,数值方法理论上可以计算任意火灾条件下钢构件的升温过程,但是有关传热系数的取值是保证计算结果精度的关键。
  4.3钢结构火灾保护隔热性能2000年后,国内外开始对防火隔热措施的隔热性能参数的确定与测试方法进行研究[24-25],文献[26-27]对石膏板的有效热传导系数进行了研究,并给出了有效热传导系数的测试方法。同济大学以采用防火保护的钢结构在火灾下的升温等效为原则,在国内外率先提出了钢结构防火保护材料等效热阻常数的概念,提出了钢结构防火涂料性能小型试件试验定量评定方法,解决了钢结构防火保护材料(特别是膨胀型防火涂料)的实际热阻随温度变化,其隔热性能难以评定的问题和有保护钢结构受火升温难以计算的问题。
  4.4高温下结构钢力学性能国内外对于高温下结构钢的力学特性试验研究比较多,对于各种常用结构钢的高温力学性能有较大数量的数据积累,并统计拟合出计算公式[28-29]。但近年来,随着新型结构钢材料应用推广,国内外也开始对一些新型结构钢材料,如不锈钢[30]、铝合金[31]、高强钢等[32-33]在高温下的材料性能进行研究。此外,传统的结构钢高温力学性能研究一般都是基于恒温加载的试验模式,即稳态试验,而结构在火灾下的反应与材料在恒载升温条件的性能更相似,此外,近年来在钢材的高温蠕变[34-35]和应变率及加载速率、路径和升温过程对钢材高温力学性能的影响[36]方面也取得了一些研究进展。
  4.5高温钢构件的极限承载力过去30年对钢结构基本受力构件如梁、柱、高强螺栓连接节点在火灾下的受力性能进行了大量的理论和试验研究[4,37],提出了高温极限承载力计算方法或公式。虽然普遍认为高温下焊缝的力学性能与钢材的力学性能区别不大,但是对火灾后的建筑钢结构调查发现,有些火灾后的建筑钢结构连接焊缝开裂现象比较严重,值得重视。
  4.6约束效应英国20世纪90年代对一个8层钢框架结构进行火灾试验,发现整体结构中受约束的钢构件与无约束的独立钢构件的抗火性能不一样[38]。近年,对实际结构受其他构件约束的结构构件及楼板在火灾情况下发生大变形时的承载机理进行不少理论和试验研究[4],建立了考虑大变形约束悬链线效应的梁抗火承载力计算方法,以及薄膜效应的板抗火承载力计算方法,这类研究成果已经在工程中得到实际应用。处于整体结构中的钢构件都会受到相邻构件的约束,这种约束会使火灾的构件产生温度内力,关于温度内力对结构构件抗火性能的影响认识也在随着研究的不断深入而提高,早期的研究认为温度内力会大大减小构件的耐火能力,而最新的研究表明,对于楼板和框架梁而言,如果容许构件发生大变形,温度膨胀变形会被其挠曲变形释放,且由于悬链线效应或薄膜效应承载机制的发展,反而有利于耐火能力的提高。但对框架柱而言,由于挠曲变形会产生二阶效应,且约束会使框架柱提早屈曲,故约束对其耐火能力不利。
  5钢结构抗火安全的重要发展趋势
  根据社会发展需求,有关钢结构抗火安全的下列问题将会重视。
  5.1钢结构耐火极限的性能化需求目前,根据钢结构建筑物的使用性质、重要程度、规模大小、层数多少、火灾危险性和火灾扑救难易程度,规定了不同建筑物的耐火等级;再根据建筑物的耐火等级,构件的重要性和在建筑中的部位规定了各种钢构件的耐火极限需求。目前钢结构耐火极限要求的规定主要以保护钢结构本身为目标,没有直接反映结构抗火设计应以保护人的生命安全为最重要的目标,而要求有时过于保守而造成不必要的浪费。
  钢结构耐火极限的性能化需求一是保证建筑物内人员安全,可以火灾发生时结构的完整性是否满足能够确保建筑物内人员逃生的时间要求;二是钢结构防火保护的经济性最优化,应该根据风险分析,评估火灾后钢结构破坏造成的直接与间接经济损失与钢结构防火保护措施费用间的关系,确定合理优化的钢结构耐火极限需求。
  5.2钢结构局部火灾升温与受力性能现行的钢结构抗火设计和计算主要考虑火灾轰燃阶段,钢构件基本处于均匀受火状态。而实际火灾开始阶段为局部火灾,且大空间建筑,火灾不会发生轰燃。局部火灾下钢构件周边的烟气温度沿轴向和截面方向都是不均匀的,且火焰辐射的距离和角度均不相同,钢构件升温的计算较为复杂。
  局部火灾下,由于钢结构构件沿轴向和横截面的温度均不同,构件的温度内力、材料特性分布将不均匀,使得其受力性能变得较为复杂。
  5.3钢结构防火保护隔热性能的现场快速检测防火保护的隔热性能是确保钢结构火灾下安全的关键,防火涂料尤其是薄型防火涂料,其厚度和密度在火灾过程中是发生变化的,从而影响其隔热性能。此外,防火涂料经过环境腐蚀后,其隔热性能也会发生退化,并不能达到施工时的质量和要求。为了确保任何时候发生火灾时结构的安全,定期对钢结构防火保护进行隔热性能检测是十分必要的,因此,研究钢结构防火保护隔热性能的现场快速检测技术和开发相应的检测仪器设备也是未来结构抗火安全发展的一个趋势。
  5.4钢结构防火防腐装饰一体化厚型防火涂料,由于价格低廉、性能可靠,从而在工程中得到广泛应用,但施工效率低,装饰性差,常常需要使用装饰材料将其隐蔽起来;另外钢结构除防火外,还需防腐,开发防火防腐一体化材料可提高施工效率;此外,钢结构建筑的装饰一般对其防火和防腐会有影响,利用其有利影响,对降低钢结构防火防腐成本有意义。因此未来在钢结构防火防腐装饰一体化材料和设计方面值得开展深入研究和开发系列产品。
  5.5钢结构火灾下破坏预警为了减少火灾的发生,建筑中通常布置火灾预警系统和自动喷淋系统,对尽早的发现火灾隐情和早期扑灭火灾具有重大意义。相似地,基于火灾下钢构件升温的测量、构件挠度的检测以及构件承载能力的判断,建立钢结构火灾下破坏预警系统可以预测火灾中钢结构的破坏时间和监测结构的安全状况,可更好地指导消防灭火和建筑物内人员的逃生,以确保人员生命安全。近年来,多个钢结构火灾中消防官兵的牺牲都是不能准确判断结构的破坏时间而造成的。此外,也会因为误判结构的倒塌时间而错失灭火的时机。
  因此,开发火灾下破坏预警系统对确保钢结构火灾下安全具有重要的意义,也是未来研究的一个重要发展趋势。
  5.6预应力钢结构抗火设计预应力钢结构多属无黏结预应力体系,且多数结构长期暴露在外,防火问题显得更为重要。对于预应力钢结构来说,由于高温下钢材蠕变的明显增大,预应力松弛而引起的内力重分布容易造成整个结构的破坏,一般预应力度越大的结构耐火性越差。因此,预应力钢结构的抗火安全问题比普通钢结构更加突出。目前关于预应力钢结构抗火性能的研究较少,未来有必要在预应力钢结构抗火设计理论和方法方面开展深入的研究。
  5.7钢结构抵御火灾下连续性倒塌结构连续性倒塌是指结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效,继而引起失效破坏构件相连的构件连续破坏,最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。钢材具有较好的塑性和韧性,火灾下钢结构单个构件的破坏,并不意味着整体结构的破坏,但火灾下多个构件的破坏很容易引起钢结构的局部破坏,进而引起连续性倒塌。对钢结构进行火灾下抗连续倒塌设计,可保证结构在一定安全可靠度之下具有抵抗连续性倒塌的能力,当火灾造成结构局部破坏时,结构能够通过多种荷载路径内力重分布阻止破坏过大范围的蔓延,尽可能减少人员的伤亡和结构的破坏程度。

本文由 安徽钢结构厂家 整理编辑。