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公安部四川消防研究所“消防射水对持续燃烧建筑物结构影响的模拟预测技术”项目资助，项目编号：2008XKGG005
摘要：运用热荷载的概念分析了火灾中建筑物结构的耐火性能，结合消防射水对火灾后建筑物性能的影响规律，提出冷荷载的概念并利用热-冷荷载分析消防射水对持续燃烧建筑物结构性能的影响。
关键词：消防射水、热荷载、冷荷载
Abstract: Using the concept of heat load analyzed the structure of refractory fire in performance, combined with the influence law of performance with water injection of building after fire, this paper gives the concept of cold load and use hot-cold load analysis of water injection of burning buildings to the impact of structure performance
Key Word: fire spraying; heat load; cold load;
中圖分类号：TU998.1文献标识码：A 文章编号：
建筑物经受火灾后，建筑材料的性能将会严重劣化，建筑的完整性遭受破坏，结构的承载力下降，可能导致建筑物局部或者是整体性坍塌。
我国建筑结构耐火设计方法采用耐火等级设计方法。该方法的核心是先根据建筑的使用性质、重要程度、规模大小、层数高低和火灾危险性确定建筑物的耐火等级，然后根据建筑的耐火等级和建筑构件的类型规定建筑构件的耐火极限，并按照ISO834标准升温曲线校准构件的耐火极限。建筑构件的耐火极限是指将建筑构件置于标准火灾环境下，从受热算起到建筑构件失去支撑能力、或发生穿透性裂缝、或背火面的温度升高到预定温度的时间[1]。由于实际火灾的温度时间关系与标准升温曲线有一定的出入，因此由标准升温曲线确定的建筑构件的耐火极限与实际火场中确定的建筑构件的耐火极限会有一定的差别。为了解决耐火实验与实际火场条件不一致的问题，在标准耐火实验和实际火场之间建立联系，许多专家提出了等效爆火时间的概念。我国目前的防火规范中依然沿用“耐火极限”作为建筑构件在火灾中安全性能的主要评价指标。
1建筑构件耐火性能评价
建筑物内火灾荷载大小和火灾成长系数大小是评定建筑火灾危险性的重要指标。一般建筑物内火灾荷载越大，可燃烧物越多，则火灾盛期的热释放速率越大，火灾持续时间越长，对建筑结构的热损伤越严重，建筑火灾的危险性还与建筑火灾的成长系数有关，火灾成长系数越大，则受火建筑的温度上升越快，根据一些学者的研究成果显示[2,3]，温度上升速度越快，对建筑构件的热损伤越严重，建筑构件的性能劣化越严重。
建筑构件达到其耐火极限与其在迎火面一定深度所能达到的最高温度有关，而构件所能达到的最高温度又与构件所吸收的热量有直接关系。为了衡量和比较建筑构件在实际火灾和火灾实验中所吸收热量的多少，Mehaffey.J.R[4]提出了“标准热荷载”的概念，即单位面积建筑构件吸收的热量。标准热荷载H的定义式为：
（1）
式（1）中H是热荷载（ ），q是建筑火灾时建筑构件吸收的热通量（ ）， 是火灾持续时间(s)，一般取火灾全胜时期的持续时间， 是建筑构件的热惯性( )，k是建筑构件的导热系数( )， 是建筑构件的密度( )，c是建筑构件的热容( )。
热荷载间接的表达了火灾中建筑构件截面的临界温度。一般来说，火灾持续时间越长，建筑构件吸收的热量越多，建筑构件的热荷载越大，同时建筑构件的温度越高。热荷载在一定程度上将实际火场升温条件和标准升温条件下的建筑构件耐火性能进行了统一，只要建筑构件在两种升温条件下吸收的热荷载相同，则构件具有相同的热损伤程度，达到相同的破坏危险性。
当建筑构件在标准升温条件下，其受火面积蓄的热荷载为 ， 与时间的关系为[5]：
（2）
式（2）中 为建筑构件在标准升温条件下积蓄的热荷载（ ）， 是建筑构件在标准升温曲线下的受火时间（h）。
根据标准升温曲线下，建筑构件受火时间与建筑构件积蓄的热荷载之间的关系，并统一时间单位可得：
（3）
式（3）中 为建筑构件在标准升温条件下积蓄的热荷载（ ）， 是建筑构件在标准升温曲线下的受火时间（s）。
实际火灾条件下，建筑构件所积蓄的热荷载与火灾荷载大小、燃烧房间地面面积大小和房间总表面积大小、开口通风情况和建筑构件本身的热惰性等条件有关。加拿大的Mehaffey.J.R和Harmathy.T.Z通过实验研究和理论分析得到实际火灾条件下，建筑构件积蓄热荷载的表达式为[4]：
（4）
（5）
（6）
(7)
式(5)表征的是建筑火灾中建筑构件的实际热吸收率，在实际建筑火灾中，有一部分燃烧热随热烟气和辐射散热、对流散热的方式释放到建筑外，只有部分燃烧热释放在建筑物内部为建筑构件吸收，所以建筑构件的实际热吸收率 。式(6)式表征的是建筑物的通风条件。式(4)~(7)中，G是建筑内的火灾荷载（ ）,是空气密度（ ）， 是着火房间的有效开口面积（ ）， 是着火房间的有效开口高度（ ），g是重力加速度（ ）， 是着火房间的高度（ ）,是着火房间的地面面积（ ）， 是建筑物内的火灾荷载密度（ ）。
2 消防射水对建筑构件火灾后性能的影响
建筑发生火灾后，消防射水是最常用的灭火方式，当混凝土经受高温后，再经射水冷却，会加重混凝土构件性能的劣化。混凝土构件高温后，通过射水冷却时，由于受到骤冷，使混凝土受到冷冲击，混凝土强度下降厉害，性能劣化严重[7]。
目前评价混凝土高温后射水冷却一般都是从其剩余强度来考虑，特别是其抗压强度。混凝土构件在经受高温后，由单一的热损伤可能致使混凝土构件不会达到其耐火极限，但在混凝土构件经受高温后又经射水冷却，混凝土构件在火-水耦合的双重作用下，可能达到其耐火的最大承受能力，致使混凝土构件严重破坏。对应于混凝土积蓄热荷载到受到热损伤，高温混凝土在消防射水条件下吸收一定的“冷荷载”受到相应的损伤。现将混凝土构件在消防射水作用下强制失去其在高温条件下积蓄的热荷载定义为混凝土吸收的“冷荷载”，用符号C表示。
考虑极端情况下，即建筑构件在火灾中经受火灾最高温度并持续一段时间，同时在消防射水作用下强制冷却至一定温度,混凝土建筑结构在受热时受到热荷载的作用，在消防射水时受到冷荷载的作用。当混凝土构件在受热后自然冷却时，可以近似认为混凝土只受到热荷载的作用；当混凝土构件在受热后经消防射水冷却，可以近似认为混凝土构件受到热荷载和冷荷载的双重作用。根据已有的研究结论可知，高温混凝土射水冷却后的剩余抗压强度低于自然冷却后的剩余抗压强度[8]。用混凝土的抗压强度近似评价混凝土在火-水耦合情况下受到热荷载和冷荷载双重作用后的性能。混凝土受到热荷载的单方面作用后，其性能会劣化，混凝土受到热荷载和冷荷载的双重作用后，其性能将劣化更严重，由此可以看出，混凝土吸收的热荷载与高温后混凝土的剩余抗压强度成反比，同时，混凝土吸收的热荷载与冷荷载耦合强度与高温混凝土射水冷却后的剩余抗压强度成反比。根据以上分析有：
（8）
（9）
（10）
式（8）中 表征建筑构件吸收热荷载和冷荷载耦合作用的强度；式（9）式中 表征的是建筑构件吸收的热荷载大小， 表征的是建筑构件单纯吸收热荷载后建筑构的剩余抗压强度大小；式（10）中表征的是建筑构件吸收热荷载和冷荷载耦合作用后建筑构件的剩余抗压强度大小。
令：
（11）
虽然此处 是由建筑构件高温后抗压强度与其吸收冷、热荷载的关系推导出来的，但是可以由建筑构件高温后抗压强度、抗拉强度等评价指标综合表征的一个系数。
3结论
运用热荷载在一定程度上将实际火场升温条件和标准升温条件下的建筑构件耐火性能进行了统一，同时运用冷-热荷载判断消防射水作用下建筑结构的耐火性能，便于实际消防工作中及时掌握建筑结构的耐火性能。
参考文献：
[1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].第二版.安徽合肥:中国科技大学出版社,2009.
[2] 刘红彬,李康乐,鞠杨,盛国华,冯磊.高强高性能混凝土的高温力学性能和爆裂机理研究[J].混凝土,2009,7：11-14.
[3] Khoury GA, Anderberg Y . Concrete spalling review [R ].Swedish : Swedish National Road Administration, 2000.
[4] Mehaffey.J.R,Harmathy.T.Z. Assessment of Fire Resistance Requirements[J].Fire Technology.1981,4(17):221-237.
[5] D.Yung,J.R.Harmathy. Fire Resistance Requirements For Rubber-Tire Warehouses [J]. Fire Technology.1991,5:100-112.
[6] 李引擎.建筑防火性能化設计[M].北京,化学工业出版社.2005.
[7] PENG G F,BIAN S H,GUO Z Q, et al. Effect of thermal shock due to rapid cooling on residual mechanical properties of fiber concrete exposed to high temperatures [J] .Construction and Building Materials,2008,22(5):948-955.
[8] 徐志胜.高温作用后混凝土强度试验研究(J) .混凝土,2000 , (2) :44 - 45.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
摘要：运用热荷载的概念分析了火灾中建筑物结构的耐火性能，结合消防射水对火灾后建筑物性能的影响规律，提出冷荷载的概念并利用热-冷荷载分析消防射水对持续燃烧建筑物结构性能的影响。
关键词：消防射水、热荷载、冷荷载
Abstract: Using the concept of heat load analyzed the structure of refractory fire in performance, combined with the influence law of performance with water injection of building after fire, this paper gives the concept of cold load and use hot-cold load analysis of water injection of burning buildings to the impact of structure performance
Key Word: fire spraying; heat load; cold load;
中圖分类号：TU998.1文献标识码：A 文章编号：
建筑物经受火灾后，建筑材料的性能将会严重劣化，建筑的完整性遭受破坏，结构的承载力下降，可能导致建筑物局部或者是整体性坍塌。
我国建筑结构耐火设计方法采用耐火等级设计方法。该方法的核心是先根据建筑的使用性质、重要程度、规模大小、层数高低和火灾危险性确定建筑物的耐火等级，然后根据建筑的耐火等级和建筑构件的类型规定建筑构件的耐火极限，并按照ISO834标准升温曲线校准构件的耐火极限。建筑构件的耐火极限是指将建筑构件置于标准火灾环境下，从受热算起到建筑构件失去支撑能力、或发生穿透性裂缝、或背火面的温度升高到预定温度的时间[1]。由于实际火灾的温度时间关系与标准升温曲线有一定的出入，因此由标准升温曲线确定的建筑构件的耐火极限与实际火场中确定的建筑构件的耐火极限会有一定的差别。为了解决耐火实验与实际火场条件不一致的问题，在标准耐火实验和实际火场之间建立联系，许多专家提出了等效爆火时间的概念。我国目前的防火规范中依然沿用“耐火极限”作为建筑构件在火灾中安全性能的主要评价指标。
1建筑构件耐火性能评价
建筑物内火灾荷载大小和火灾成长系数大小是评定建筑火灾危险性的重要指标。一般建筑物内火灾荷载越大，可燃烧物越多，则火灾盛期的热释放速率越大，火灾持续时间越长，对建筑结构的热损伤越严重，建筑火灾的危险性还与建筑火灾的成长系数有关，火灾成长系数越大，则受火建筑的温度上升越快，根据一些学者的研究成果显示[2,3]，温度上升速度越快，对建筑构件的热损伤越严重，建筑构件的性能劣化越严重。
建筑构件达到其耐火极限与其在迎火面一定深度所能达到的最高温度有关，而构件所能达到的最高温度又与构件所吸收的热量有直接关系。为了衡量和比较建筑构件在实际火灾和火灾实验中所吸收热量的多少，Mehaffey.J.R[4]提出了“标准热荷载”的概念，即单位面积建筑构件吸收的热量。标准热荷载H的定义式为：
（1）
式（1）中H是热荷载（ ），q是建筑火灾时建筑构件吸收的热通量（ ）， 是火灾持续时间(s)，一般取火灾全胜时期的持续时间， 是建筑构件的热惯性( )，k是建筑构件的导热系数( )， 是建筑构件的密度( )，c是建筑构件的热容( )。
热荷载间接的表达了火灾中建筑构件截面的临界温度。一般来说，火灾持续时间越长，建筑构件吸收的热量越多，建筑构件的热荷载越大，同时建筑构件的温度越高。热荷载在一定程度上将实际火场升温条件和标准升温条件下的建筑构件耐火性能进行了统一，只要建筑构件在两种升温条件下吸收的热荷载相同，则构件具有相同的热损伤程度，达到相同的破坏危险性。
当建筑构件在标准升温条件下，其受火面积蓄的热荷载为 ， 与时间的关系为[5]：
（2）
式（2）中 为建筑构件在标准升温条件下积蓄的热荷载（ ）， 是建筑构件在标准升温曲线下的受火时间（h）。
根据标准升温曲线下，建筑构件受火时间与建筑构件积蓄的热荷载之间的关系，并统一时间单位可得：
（3）
式（3）中 为建筑构件在标准升温条件下积蓄的热荷载（ ）， 是建筑构件在标准升温曲线下的受火时间（s）。
实际火灾条件下，建筑构件所积蓄的热荷载与火灾荷载大小、燃烧房间地面面积大小和房间总表面积大小、开口通风情况和建筑构件本身的热惰性等条件有关。加拿大的Mehaffey.J.R和Harmathy.T.Z通过实验研究和理论分析得到实际火灾条件下，建筑构件积蓄热荷载的表达式为[4]：
（4）
（5）
（6）
(7)
式(5)表征的是建筑火灾中建筑构件的实际热吸收率，在实际建筑火灾中，有一部分燃烧热随热烟气和辐射散热、对流散热的方式释放到建筑外，只有部分燃烧热释放在建筑物内部为建筑构件吸收，所以建筑构件的实际热吸收率 。式(6)式表征的是建筑物的通风条件。式(4)~(7)中，G是建筑内的火灾荷载（ ）,是空气密度（ ）， 是着火房间的有效开口面积（ ）， 是着火房间的有效开口高度（ ），g是重力加速度（ ）， 是着火房间的高度（ ）,是着火房间的地面面积（ ）， 是建筑物内的火灾荷载密度（ ）。
2 消防射水对建筑构件火灾后性能的影响
建筑发生火灾后，消防射水是最常用的灭火方式，当混凝土经受高温后，再经射水冷却，会加重混凝土构件性能的劣化。混凝土构件高温后，通过射水冷却时，由于受到骤冷，使混凝土受到冷冲击，混凝土强度下降厉害，性能劣化严重[7]。
目前评价混凝土高温后射水冷却一般都是从其剩余强度来考虑，特别是其抗压强度。混凝土构件在经受高温后，由单一的热损伤可能致使混凝土构件不会达到其耐火极限，但在混凝土构件经受高温后又经射水冷却，混凝土构件在火-水耦合的双重作用下，可能达到其耐火的最大承受能力，致使混凝土构件严重破坏。对应于混凝土积蓄热荷载到受到热损伤，高温混凝土在消防射水条件下吸收一定的“冷荷载”受到相应的损伤。现将混凝土构件在消防射水作用下强制失去其在高温条件下积蓄的热荷载定义为混凝土吸收的“冷荷载”，用符号C表示。
考虑极端情况下，即建筑构件在火灾中经受火灾最高温度并持续一段时间，同时在消防射水作用下强制冷却至一定温度,混凝土建筑结构在受热时受到热荷载的作用，在消防射水时受到冷荷载的作用。当混凝土构件在受热后自然冷却时，可以近似认为混凝土只受到热荷载的作用；当混凝土构件在受热后经消防射水冷却，可以近似认为混凝土构件受到热荷载和冷荷载的双重作用。根据已有的研究结论可知，高温混凝土射水冷却后的剩余抗压强度低于自然冷却后的剩余抗压强度[8]。用混凝土的抗压强度近似评价混凝土在火-水耦合情况下受到热荷载和冷荷载双重作用后的性能。混凝土受到热荷载的单方面作用后，其性能会劣化，混凝土受到热荷载和冷荷载的双重作用后，其性能将劣化更严重，由此可以看出，混凝土吸收的热荷载与高温后混凝土的剩余抗压强度成反比，同时，混凝土吸收的热荷载与冷荷载耦合强度与高温混凝土射水冷却后的剩余抗压强度成反比。根据以上分析有：
（8）
（9）
（10）
式（8）中 表征建筑构件吸收热荷载和冷荷载耦合作用的强度；式（9）式中 表征的是建筑构件吸收的热荷载大小， 表征的是建筑构件单纯吸收热荷载后建筑构的剩余抗压强度大小；式（10）中表征的是建筑构件吸收热荷载和冷荷载耦合作用后建筑构件的剩余抗压强度大小。
令：
（11）
虽然此处 是由建筑构件高温后抗压强度与其吸收冷、热荷载的关系推导出来的，但是可以由建筑构件高温后抗压强度、抗拉强度等评价指标综合表征的一个系数。
3结论
运用热荷载在一定程度上将实际火场升温条件和标准升温条件下的建筑构件耐火性能进行了统一，同时运用冷-热荷载判断消防射水作用下建筑结构的耐火性能，便于实际消防工作中及时掌握建筑结构的耐火性能。
参考文献：
[1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].第二版.安徽合肥:中国科技大学出版社,2009.
[2] 刘红彬,李康乐,鞠杨,盛国华,冯磊.高强高性能混凝土的高温力学性能和爆裂机理研究[J].混凝土,2009,7：11-14.
[3] Khoury GA, Anderberg Y . Concrete spalling review [R ].Swedish : Swedish National Road Administration, 2000.
[4] Mehaffey.J.R,Harmathy.T.Z. Assessment of Fire Resistance Requirements[J].Fire Technology.1981,4(17):221-237.
[5] D.Yung,J.R.Harmathy. Fire Resistance Requirements For Rubber-Tire Warehouses [J]. Fire Technology.1991,5:100-112.
[6] 李引擎.建筑防火性能化設计[M].北京,化学工业出版社.2005.
[7] PENG G F,BIAN S H,GUO Z Q, et al. Effect of thermal shock due to rapid cooling on residual mechanical properties of fiber concrete exposed to high temperatures [J] .Construction and Building Materials,2008,22(5):948-955.
[8] 徐志胜.高温作用后混凝土强度试验研究(J) .混凝土,2000 , (2) :44 - 45.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。