房屋混凝土结构火灾温度场及抗火性能研究

缪卓君，王玉华

（1.南京威新房地产开发有限公司 第一分公司，江苏 南京 210000；2.南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210000）

混凝土材料因其取材方便、成本低廉、可塑性强、力学性能优异等优点，在交通运输、土木工程、水利工程等众多领域应用十分广泛。随着社会需求地不断增加，建筑物的尺寸、跨度及高度等也越来越大，结构形式也呈现出异形、多样化趋势［1-2］，并逐渐朝着大型化、高层化发展。随着建设需求及科技水平的发展，混凝土结构在极端特种环境下地应用越发广泛，所以其所处环境温度早已超出常温所属范畴［3］，因此其所面临的温度要求也越来越苛刻，例如火灾发生时混凝土性能退化便是其中最为典型的例子。对房屋建筑结构来说，火灾发生后30 min 内，建筑室内温度可达到800 ℃～1 200 ℃，高温下结构往往因承载力降低和自身刚度退化而使损伤发展，造成结构性能劣化，严重影响建筑物内、外部结构完整性，甚至发生整个建筑结构倒塌。

因此，混凝土结构在正常使用期间，受服役环境温度地影响非常大［4-6］，尤其是火灾发生时极端的高温环境更为危险，为保证工程结构在不同环境中的安全性，有必要全面研究掌握火灾发展过程中对房屋结构混凝土材料及构件性能地影响。

1 房屋结构混凝土火灾温度场分析

1.1 房屋结构混凝土火灾升温曲线

已有研究指出［7-8］：火灾发生时，升温-时间曲线是混凝土所受到高温作用的主要体现，对应状态下混凝土受力性能的决定性因素是其自身热力性能和截面不同位置温度分布情况。因此，确定火灾发生后房屋结构混凝土的升温曲线及其内部温度场，是研究房屋结构混凝土抗火性能的前提和基础。当房屋结构发生火灾后，对应空间内各点的温度差别较大，可燃物火焰附近混凝土的温度最高，随着与可燃物火焰距离地增加，温度逐渐降低。

实际房屋结构发生火灾时，火灾发展一般要经历成长期、旺盛期、衰减熄灭期三个不同阶段，而不同阶段对应的火灾升温曲线影响因素较多，诸如房间结构与构造、结构尺寸、通风情况、材料表面热物理性能等。根据已有研究结果，火灾发展过程中典型的温度-时间曲线如图1所示。

图1 火灾发展过程中典型的温度-时间曲线

发生火灾及火情发展过程中，房屋结构混凝土与燃烧源、烟气之间进行热对流与热辐射，而结构内部的热量交换方式以热传导为主［9］。采取某一单一指标完全准确地描述火灾温度与延续时间的关系较为困难，因此，为了统一描述和表征混凝土结构及其构件的抗火性能，许多国家或组织根据大量实地调查与试验研究，总结出了升温曲线的相应计算公式。根据不同组织结构的研究结果，常见场景中火灾燃烧的室内模型对应标准温度-时间曲线主要有以下3种：

（1）ISO 834标准曲线：T=T0+345×lg(8t+1)；

（2）HC标准火灾曲线：

T=T0+1080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)；

（3）ASTM-E119标准火灾曲线：

T=1166-5325e-0.01t+186e-0.05t-820e-0.2t；

式中：T0为环境初始温度；t 为火灾持续时间；T为燃烧开始后的环境温度。

其中，ISO 834 标准温度-时间曲线所反映的火灾发展过程中的温度变化规律，是一个统一且单调升温的温度变化过程，即火灾发生后无论可燃物的燃烧时间多长，结构所对应的温度一直处于上升状态，始终没有衰减或熄灭阶段。因此，该曲线在反映实际房屋结构和建筑物的真实火灾温度时存在较大偏差，结合国内外大量的室内燃烧试验结果，二者也存在较大差别。但是该标准曲线为国内外标准与规范中为数不多推荐使用的模型，在房屋结构构件混凝土的抗火试验、高温性能分析以及混凝土结构的耐火极限验算中，具有较高的可行性，且在结构抗火安全性设计中具有较好的实用性。

1.2 温度场计算

房屋结构内部热量传输过程中，燃烧导致房屋结构出现较多热气流。热气流不断上浮，导致房间上方梁、板等水平构件的底面附近温度不断升高，进而在该位置形成一个温度较高的热气流层。相应地，房屋结构的墙和柱等竖向构件侧面附近，也将随着温度升高和热气流扩散而形成一个热气流层。这些房屋结构构件周围形成的热气流层，其自身温度值及其在空间上的分布特性，取决于房屋结构内部发生火灾时可燃物的位置与分布情况、可燃物的燃烧时间、热气流的流通方向等。

基于上述分析，一般意义上描述的火灾温度，是指这些房屋结构构件对应的热气流层的温度。在进行分析和计算时，一般假定房屋结构构件混凝土周围气流层内温度呈均匀分布，且其数值及发展规律一般认为是燃烧时间的函数。因此，以房屋结构的楼板为例，介绍发生火灾时房屋结构及不同构件的温度场计算方式，以反映其温度变化规律及分布情况。

在分析发生火灾时楼板的温度场过程中，将楼板作为半无限大的平板考虑，假定受火面的长度与宽度为无限大，发生火灾前楼板内部的温度均匀分布，且在火情发展过程中，楼板的物理力学性能仅在沿板厚度方向发生变化，火灾发生初始时刻，受火表面的温度不变。基于上述假定，楼板内部的温度场可以认为是燃烧时间与距离的函数［12］，如式（1）所示：

根据导热方程可以得到：

依据上述发生火灾时关于楼板周围的温度变化与基本性能的假定，可以得到式（2）所述导热方程的边界条件与初始条件，如式（3）、（4）所示：

采用拉普拉斯变换解式（2）所示的导热微分方程，可以得到发生火灾时房屋楼板结构的温度沿着横截面高度方向的分布函数，如式（5）所示：

式中，T0为楼板初始温度；

t 为燃烧时间；

α 为楼板热工系数；

h 为楼板厚度；

根据式（6）所示方程，即可计算发生火灾时房屋楼板结构的温度场，进而反映其温度变化规律及分布情况。

2 房屋结构混凝土抗火性能提高措施及灾后加固

由混凝土升温曲线及其内部温度场可以看出，结构构造、结构尺寸、通风情况、材料表面的热物理性能等都对房屋结构抗火有影响。因此，改善房屋结构混凝土的抗火性能可以从改善材料性能和改变结构构造两个方面入手。

2.1 改善材料性能

普通混凝土受热爆裂的过程，就是混凝土中的水分从混凝土内部逸出的过程。随着温度地不断升高，混凝土强度损失的速率随之增加。有试验研究指出：当试验温度达到600 ℃时，混凝土试件的强度会损失50%，当试验温度达到800 ℃时，混凝土试件的强度损失80%左右，温度与混凝土强度损失对比如图2所示。

图2 温度与混凝土强度损失

高强度混凝土由于密实度高、孔隙率低，蒸发通道不畅，水分能尽快逸出，从而会产生几乎达到饱和蒸汽压的过高蒸汽分压，由于蒸汽分压远远超过了混凝土抗拉强度，最终必然导致混凝土不能抵御内部压力而爆裂。但高性能混凝土加入聚丙烯纤维后，情况会发生变化。当温度为180 ℃，混凝土还处于自蒸发阶段时，结构内部压力还不是很大，同时由于聚丙烯纤维熔点极低（杜拉纤维的熔点为165 ℃），它在较低温度下就会熔化，而且熔化后的液态体积远小于其为固态时所占的空间，于是聚丙烯纤维熔化后会形成众多小孔隙，而且由于聚丙烯纤维分散均匀性，纤维细小、量多，从而使混凝土内部孔隙结构发生变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了方便通道，也就降低了由于水分蒸发所形成的气压，使混凝土结构内部压力降低，从而防止了爆裂现象地产生。

在混凝土结构中掺入不同种类的纤维，可有效改善混凝土抗火性能。其中，掺入聚丙烯纤维形成的聚丙烯纤维混凝土可以提高结构自身高温作用下的抗爆裂性能。掺入适量钢纤维形成的钢纤维混凝土可以提高结构经受高温作用后剩余承载能力。而按照一定比例掺入聚丙烯纤维与钢纤维不仅可以防止结构高温爆裂，而且还能在一定程度上提高其高温后的残余强度［10］。

混凝土中掺入聚丙烯长纤维会不同程度地降低结构经受高温后的残余抗压与抗弯强度，按照一定比例混合掺入钢纤维在宏观上提高了结构构件高温后残余抗压强度，但钢纤维地掺入会增加结构的爆裂概率与程度。此外，掺入纤维的混凝土结构经历高温后浸水养护一段时间，自身抗压和抗弯强度恢复效果明显比素混凝土好。将耐高温的无机胶凝材料作为混凝土结构的防护层，可以在很大程度上提高结构自身的承载力和抗火性能。

2.2 改变结构构造

现阶段提高结构抗火性能的措施主要包括增加保护层厚度、增加截面尺寸、涂抹厚型防火涂层等［10-12］。其中，对于房屋结构而言，提高结构耐火极限最有效的方法是在构件表面涂覆防火涂层。房屋结构中使用的防火涂层，按照材料配比、作用机理以及工作原理大致可以分为膨胀型涂层和非膨胀型涂层两种。涂覆于房屋结构的膨胀型防火涂料的涂层，当房屋结构发生火灾时涂层受热后膨胀形成蜂窝状炭化层，火灾时对火焰热量起到一定地隔离作用，从而降低防护对象在火灾发展过程中的热传导。相对于膨胀型防火涂层，非膨胀型防火涂料则是通过自身的高难燃性，在发生火灾时达到从根源上隔离火源与可燃物，进而达到阻燃防火的目的。结合大多数实际工程中防火涂层的应用情况，目前国内外在房屋结构的防火性能改善中应用较多的防火涂层主要是高性能膨胀型防火涂层。

对混凝土结构而言，虽可以通过增加构件截面尺寸和保护层厚度在一定程度上提高结构的耐火极限，但过大的截面尺寸与保护层厚度反而会造成结构自身的承载力降低，且容易导致高温下结构开裂，进而降低结构的耐火极限，因此应结合实际情况适当调整房屋结构构件的构造形式，不可一味追求房屋结构截面面积地增加与混凝土保护层厚度地增大。

2.3 房屋结构火灾后处理实例

2.3.1 工程概况

该结构为位于我国西北地区某县城的11层钢筋混凝土结构的住宅楼，结构形式为现在高层建筑中常用的框架剪力墙结构。该房屋建筑面积8 095.29 m2，建筑高度36.8 m，房屋主体结构耐火等级按二级设计，按照抗震等级地震烈度为7度。该房屋于2015年4月8日凌晨两点左右，由于四楼住户的液化气罐爆炸引发了火灾，消防战士于第一时间赶赴现场并进行扑救，2 h后火灾被扑灭。虽然火灾已经被扑灭，但是该四楼住户内部的可燃物基本上被燃烧殆尽，房屋结构整体及构件均出现了一定程度烧伤，部分位置出现了较为严重地开裂和变形，需经过检测评估后采取相应地加固措施。

2.3.2 火损检测

依据现场调研结果，受火区房屋内部可燃物基本上燃烧殆尽，受火区域灼烧程度较为严重。钢筋混凝土构件表面抹灰层整体上全部脱落，大部分受火表面呈土黄色，只有少部分结构表面呈现粉红色，有一部分位置发生了爆裂，导致混凝土内部的石子外露，且出现面积较大网状裂缝。如图3所示，为火灾发生后房屋结构的损伤情况。

如图3 所示，房屋结构受火后损伤较为严重，受火房间梁跨中底部出现了明显的三条裂缝，测量后显示其平均宽度为0.4 mm。其他房间的梁也在底部出现了均匀的裂缝，宽度从0.1～0.3 mm，梁体表面整体泛白。受火房间楼板下侧抹灰层被灼烧后掉落，石子发生爆裂后外露，网状裂缝整体宽度为0.3 mm。其他房间的楼板、窗户等位置也出现了泛白和开裂现象，裂缝宽度从0.1～0.3 mm。由于该建筑结构火灾属于局部火灾，且消防人员扑救较为及时，因此火灾对结构的影响范围较小。

图3 建筑火损情况

2.3.3 结构安全系评估及处理措施

为保证房屋整体安全及使用寿命，依据《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292-2015）对整体建筑结构的地基基础与上部承重结构进行安全评估。发生火灾的位置距离地基基础较远，因此地基基础的性能未受影响，依据规范评定其等级为Au 级。由于受火房间及相邻房间的结构构件损伤较为严重，外观完整性较差，且部分位置有钢筋外露，结构整体性与完整性均受损严重。经验算后，其承载能力不能满足房屋结构正常使用时的承载要求，需进行加固处理，因此依据规范评定其等级为Cu 级，部分为Bu 级。结合烧损构件的构造缺陷、构件变形、结构整体性、门窗损坏情况、非承重墙体损伤、电梯损坏情况等，综合鉴定该房屋结构火损后的等级为Csu 级，该住宅楼的安全性等级为Bu级。

结合鉴定等级，专业鉴定单位给的处理建议为：评定为Ⅲ级的楼板需进行更换；评级为Ⅱb级的楼板在清除烧损层之后，先对裂缝采用环氧树脂进行处理，再对楼板整体采用高标号聚合物砂浆加固；Ⅱa级构件在清除烧损层后直接进行修补即可。受火房间及相邻房间的梁，出现评级为b、c的梁必须采用加大截面法进行加固，从而保证结构整体的受力性能；出现评级为b、c 的梁柱和剪力墙须采用外部粘贴型钢的方法加固。此外，由于整栋建筑物在发生火灾时外部墙皮与灰层均受到了不同程度损伤，因此建议外部采用涂覆防火涂层的方式进行预加固处理。

3 小结

本论述通过分析火灾对房屋建筑混凝土结构的影响与危害，结合国内外关于混凝土结构火灾发生时的温度场研究现状，介绍了房屋结构混凝土火灾时的升温曲线。由于房间结构与构造、结构尺寸、通风情况、材料表面的热物理性能等对火灾的演变影响较大，因此实际房屋结构发生火灾时，火灾的发展历程可以大致分为成长期、旺盛期、衰减熄灭期三个阶段。以房屋结构的楼板为例，介绍发生火灾时房屋结构及不同构件的温度场计算方式，进而反映了房屋结构在火灾发展过程中的温度变化规律与对应的分布情况。最后结合常见的混凝土结构抗火性能提高措施，从改善原材料与优化结构设计两个方面总结了房屋结构混凝土抗火性能的提高措施，现阶段提高结构耐火极限最有效的方法是在混凝土结构表面涂覆防火涂层。结合实际的房屋火损例子，介绍了实际房屋结构发生火灾后可能出现的损伤，并结合规范进行安全等级评定方法，简述了常见的结构混凝土抗火性能提高措施在实际工程中的应用。本研究对于房屋结构混凝土抗火性能提升与火损机理的研究，具有一定地参考与借鉴意义。