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摘要：在火灾作用下，火灾高温使得结构材料的性能发生严重劣化，结构构件将发生剧烈的内力重分布，结构变形显著加剧，从而造成结构的承载性能大大削弱，危及结构的安全，甚至导致结构发生局部或整体倒塌和破坏。因此如何合理进行结构的抗火设计，特别是通过系统的理论分析和研究，建立一整套科学、可靠、实用的结构抗火设计方法，正日益受到学术界和工程界的关注。对火灾高温作用下的钢筋混凝土结构、钢结构和构件的受力状态以及火灾冲击荷载作用下简支钢梁的动力响应做了进一步的研究，主要研究工作如下。
关键词：建筑火灾 结构抗火设计材料性能
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一．火灾的危害性
我国的火灾次数和损失相当严重，统计表明，我国每年火灾造成的经济损失：上世纪50年代平均为0.5亿元、60年代为1.5亿元、70年代为2.5亿元、80年代为3.2亿元、90年代以后火灾损失更为严重。据公安部消防局统计，2000年全国共发生火灾189185起，死亡3021人，伤残4404人，直接财产损失15.22亿元。
二．建筑结构抗火性能研究
结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。多年来，世界各国在建筑结构耐火设计研究领域开展了广阔而深入的研究，取得了巨大成果，注意集中在以下各方面。
（一）建筑火灾发展过程研究
建筑火灾发展过程研究的目的是掌握建筑火灾发展规律，主要了解气体温度变化及烟气运动等规律，从而再现已发生火灾和预测未来火灾的情况，为建筑防火设计和结构抗火设计提供科学依据。
（二）材料的高温力学性能
在短期高温(比如火灾)下，一般来说普通混凝土抗压强度，在400℃以内可以近似认为不变，700℃时约为其常温时的40％；建筑中常用的普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40％；预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为其常温时的40％。经历过不大于500℃高温的普通混凝土在空气中放置一年后其抗压强度基本恢复，经历大于500℃高温后抗压强度比高温下抗压强度要低10％--r20％，普通钢材所经历的温度在600℃以下力学性能基本恢复；预应力筋用高强钢材所经历的温度在400℃以下时，高温后内力学性能大多可以恢复，经历600℃高温后强度可以恢复至受损前的60％左右。
三．现行规范对结构抗火设计方法的规定
（一）耐火等级划分
对于结构防火安全的规定，各国采用的方法不尽相同，多数国家沿用了几十年的经验法，即建筑的耐火等级是以建筑构件的标准耐火试验和建筑物的防火要求为依据建立起来的。目前，我国和世界上大多数国家一样，结构耐火设计并不进行计算，而是采用下述方法：(1)对建筑物进行分类；(2)确定建筑物的耐火等级。
（二）现行业结构耐火设计方法的不足
我国现行结构耐火设计方法是先根据建筑物的性质、重要性、扑救难度等确定建筑物的耐火等级，然后根据耐火等级选择承重构件的耐火极限和燃烧性能，以此来保证结构的耐火稳定性。但是，这种设计方法有以下不足之处。（1）耐火等级的划分考虑因素不周火灾荷载即单位地板面积上可燃物的热值是影响火灾的最重要的因素。当建筑物的火灾荷载较大时，火灾中其温度必然高，燃烧时间也长，因而对结构的损伤作用就大；反之，当火灾荷载较小时，火灾温度必然低，燃烧时间也短，对结构的损伤作用就小。现行设计方法并没有较好地考虑这一重要因素，似乎只在重点强调失火可能性的大小。（2）耐火极限的确定过于粗略当建筑物的耐火等级确定后，完全依靠承重构件的耐火极限来保证结构的耐火稳定性。但是，规范给出的承重构件的耐火极限主要依据在一定条件下的有限次耐火试验结果而得，而试验所涉及的影响因素不够全面，因而给出的耐火极限不够合理可靠。
四．合理的结构抗火设计方法
（一）结构抗火设计要求
(1)在规定的结构耐火设计极限时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；(2)在规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；(3)火災下。当结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的温度为临界温度Td，则Td应不小于在耐火极限时问内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。
（二）基于计算的结构抗火设计方法
这种基于计算的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判据，其计算过程如下：(1)采用确定的防火措施；(2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；(3)采用确定的高温下材料的参数，计算结构中该构件在外荷载的内力；(4)由计算的温度场确定等效截面和等效强度；(5)根据构件和受载的类型，进行结构抗火承载力极限状态验算。
五．结构抗火设计的研究方向
（一）材料性能
由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度影响下材料力学性能有一定的离散性，必须通过一定数量的不同材料的试验以确定其基本性能及变化特征。同时，通过材料性能试验，寻找在高温下性能优良的材料，以提高结构抗火能力。对目前国内外进行的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程序用的材料高温(火灾)性能数据库是火灾材料研究的一个重点。
（二）结构火灾下的可靠度分析
采用概率的概念来评估工程结构的安全度(即可靠度)已被工程界广泛接受，但对结构在火灾下如何确定其安全度仍有待研究。由于火灾发生的可能性、火灾的持续时间和峰值强度、发生火灾时结构承受的荷载等并不确定，以及材料在温度下性能的更趋离散等因素均会影响结构的耐火性能。因此如何在设计中对这些因素进行综合考虑，以确定其耐火安全度是今后面临的一个重大课题。结构火灾下的可靠度分析也是对现有建筑物进行评估的一个重要方面，对今后房屋交易、保险等均有重大意义。
（三）火灾后鉴定和修复
由于经济条件限制，我国有相当一部分建筑在设计上对防火技术措施未予考虑或考虑不够周密，火灾后往往造成建筑结构损伤、破坏或倒塌，造成的结构破坏情况较多，通常火灾后所采取的处理措施是进行修复加固，但我国在这方面的研究起步较晚，目前尚无专门的法规。
六．设计中应解决的问题
（一）结构材料在高温下的有关设计参数研究，迄今为止我国尚未对结构材料的热反映性能开展大规模
系统研究。尽管有些单位从事过一些研究，但由于我国幅员辽阔，材料变异性非常大，必须进行较大规模的研究，才能确定用于结构耐火设计的基础数据。
（二）钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模能确定与我国常温结构设计相适应的计算模式。
（三）钢结构防火涂料，板材热性能及构件在给定临界温度下保护层厚度确定方法的研究。我国虽开发
了不少种类的结构防火涂料，但由于采用标准耐火试验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热参数随温升的变化规律以及保护层厚度的计算方法。该研究具有相当紧迫性。
（四）承重构件所需耐火极限的研究。构件所需要耐火极限直接关系到耐火设计的成败。只有从构件所
处的实际条件出发规定其耐火极限，设计结果才具有可靠性和安全性。
（五）火灾荷载分布统计研究。该研究是耐火设计的基础。国外许久国家都进行过研究，并公布了用于设计的火灾荷值。我国非常需要符合我国实际的火灾荷载数值。
参考文献
[1]毛小勇，韩林海．压型钢板一混凝土组合板抗火研究的现状和特点[J]哈尔滨建筑大学学报，2001
[2]中华人民共和国公安部消防局．中国火灾统计年鉴．北京：群众出版社，2000.
关键词：建筑火灾 结构抗火设计材料性能
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一．火灾的危害性
我国的火灾次数和损失相当严重，统计表明，我国每年火灾造成的经济损失：上世纪50年代平均为0.5亿元、60年代为1.5亿元、70年代为2.5亿元、80年代为3.2亿元、90年代以后火灾损失更为严重。据公安部消防局统计，2000年全国共发生火灾189185起，死亡3021人，伤残4404人，直接财产损失15.22亿元。
二．建筑结构抗火性能研究
结构抗火设计的目的是保证建筑构件和结构具有足够的耐火时间，防止火灾时出现局部倒塌甚至整体倒塌。多年来，世界各国在建筑结构耐火设计研究领域开展了广阔而深入的研究，取得了巨大成果，注意集中在以下各方面。
（一）建筑火灾发展过程研究
建筑火灾发展过程研究的目的是掌握建筑火灾发展规律，主要了解气体温度变化及烟气运动等规律，从而再现已发生火灾和预测未来火灾的情况，为建筑防火设计和结构抗火设计提供科学依据。
（二）材料的高温力学性能
在短期高温(比如火灾)下，一般来说普通混凝土抗压强度，在400℃以内可以近似认为不变，700℃时约为其常温时的40％；建筑中常用的普通钢材的屈服强度，在200℃以内可近似认为不变，550℃时约为其常温时的40％；预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低，到400℃时约为其常温时的40％。经历过不大于500℃高温的普通混凝土在空气中放置一年后其抗压强度基本恢复，经历大于500℃高温后抗压强度比高温下抗压强度要低10％--r20％，普通钢材所经历的温度在600℃以下力学性能基本恢复；预应力筋用高强钢材所经历的温度在400℃以下时，高温后内力学性能大多可以恢复，经历600℃高温后强度可以恢复至受损前的60％左右。
三．现行规范对结构抗火设计方法的规定
（一）耐火等级划分
对于结构防火安全的规定，各国采用的方法不尽相同，多数国家沿用了几十年的经验法，即建筑的耐火等级是以建筑构件的标准耐火试验和建筑物的防火要求为依据建立起来的。目前，我国和世界上大多数国家一样，结构耐火设计并不进行计算，而是采用下述方法：(1)对建筑物进行分类；(2)确定建筑物的耐火等级。
（二）现行业结构耐火设计方法的不足
我国现行结构耐火设计方法是先根据建筑物的性质、重要性、扑救难度等确定建筑物的耐火等级，然后根据耐火等级选择承重构件的耐火极限和燃烧性能，以此来保证结构的耐火稳定性。但是，这种设计方法有以下不足之处。（1）耐火等级的划分考虑因素不周火灾荷载即单位地板面积上可燃物的热值是影响火灾的最重要的因素。当建筑物的火灾荷载较大时，火灾中其温度必然高，燃烧时间也长，因而对结构的损伤作用就大；反之，当火灾荷载较小时，火灾温度必然低，燃烧时间也短，对结构的损伤作用就小。现行设计方法并没有较好地考虑这一重要因素，似乎只在重点强调失火可能性的大小。（2）耐火极限的确定过于粗略当建筑物的耐火等级确定后，完全依靠承重构件的耐火极限来保证结构的耐火稳定性。但是，规范给出的承重构件的耐火极限主要依据在一定条件下的有限次耐火试验结果而得，而试验所涉及的影响因素不够全面，因而给出的耐火极限不够合理可靠。
四．合理的结构抗火设计方法
（一）结构抗火设计要求
(1)在规定的结构耐火设计极限时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；(2)在规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；(3)火災下。当结构内部温度均匀时，若结构达到承载力极限状态时的温度为临界温度Td，则Td应不小于在耐火极限时问内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。上述三个要求实际上是等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。
（二）基于计算的结构抗火设计方法
这种基于计算的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判据，其计算过程如下：(1)采用确定的防火措施；(2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；(3)采用确定的高温下材料的参数，计算结构中该构件在外荷载的内力；(4)由计算的温度场确定等效截面和等效强度；(5)根据构件和受载的类型，进行结构抗火承载力极限状态验算。
五．结构抗火设计的研究方向
（一）材料性能
由于混凝土和钢材本身化学成分的差异，在温度影响下材料力学性能有一定的离散性，必须通过一定数量的不同材料的试验以确定其基本性能及变化特征。同时，通过材料性能试验，寻找在高温下性能优良的材料，以提高结构抗火能力。对目前国内外进行的高温材料试验结果进行总结，并建立可供计算机程序用的材料高温(火灾)性能数据库是火灾材料研究的一个重点。
（二）结构火灾下的可靠度分析
采用概率的概念来评估工程结构的安全度(即可靠度)已被工程界广泛接受，但对结构在火灾下如何确定其安全度仍有待研究。由于火灾发生的可能性、火灾的持续时间和峰值强度、发生火灾时结构承受的荷载等并不确定，以及材料在温度下性能的更趋离散等因素均会影响结构的耐火性能。因此如何在设计中对这些因素进行综合考虑，以确定其耐火安全度是今后面临的一个重大课题。结构火灾下的可靠度分析也是对现有建筑物进行评估的一个重要方面，对今后房屋交易、保险等均有重大意义。
（三）火灾后鉴定和修复
由于经济条件限制，我国有相当一部分建筑在设计上对防火技术措施未予考虑或考虑不够周密，火灾后往往造成建筑结构损伤、破坏或倒塌，造成的结构破坏情况较多，通常火灾后所采取的处理措施是进行修复加固，但我国在这方面的研究起步较晚，目前尚无专门的法规。
六．设计中应解决的问题
（一）结构材料在高温下的有关设计参数研究，迄今为止我国尚未对结构材料的热反映性能开展大规模
系统研究。尽管有些单位从事过一些研究，但由于我国幅员辽阔，材料变异性非常大，必须进行较大规模的研究，才能确定用于结构耐火设计的基础数据。
（二）钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模能确定与我国常温结构设计相适应的计算模式。
（三）钢结构防火涂料，板材热性能及构件在给定临界温度下保护层厚度确定方法的研究。我国虽开发
了不少种类的结构防火涂料，但由于采用标准耐火试验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热参数随温升的变化规律以及保护层厚度的计算方法。该研究具有相当紧迫性。
（四）承重构件所需耐火极限的研究。构件所需要耐火极限直接关系到耐火设计的成败。只有从构件所
处的实际条件出发规定其耐火极限，设计结果才具有可靠性和安全性。
（五）火灾荷载分布统计研究。该研究是耐火设计的基础。国外许久国家都进行过研究，并公布了用于设计的火灾荷值。我国非常需要符合我国实际的火灾荷载数值。
参考文献
[1]毛小勇，韩林海．压型钢板一混凝土组合板抗火研究的现状和特点[J]哈尔滨建筑大学学报，2001
[2]中华人民共和国公安部消防局．中国火灾统计年鉴．北京：群众出版社，2000.