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1、消防射水對持續燃燒建筑物結構性能的影響分析公安部四川消防研究所“消防射水對持續燃燒建筑物結構影響的模擬預測技術”項目資助，項目編號：2008XKGG005 摘要：運用熱荷載的概念分析了火災中建筑物結構的耐火性能，結合消防射水對火災后建筑物性能的影響規律，提出冷荷載的概念并利用熱-冷荷載分析消防射水對持續燃燒建筑物結構性能的影響。關鍵詞：消防射水、熱荷載、冷荷載Abstract: Using the concept of heat load analyzed the structure of refractory fire in performance, combined with the in2、fluence 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 performanceKey Word: fire spraying; heat load; cold load;中圖分類號：TU998.1文獻標識碼：A 文章編號：建筑物經受3、火災后，建筑材料的性能將會嚴重劣化，建筑的完整性遭受破壞，結構的承載力下降，可能導致建筑物局部或者是整體性坍塌。我國建筑結構耐火設計方法采用耐火等級設計方法。該方法的核心是先根據建筑的使用性質、重要程度、規模大小、層數高低和火災危險性確定建筑物的耐火等級，然后根據建筑的耐火等級和建筑構件的類型規定建筑構件的耐火極限，并按照ISO834標準升溫曲線校準構件的耐火極限。建筑構件的耐火極限是指將建筑構件置于標準火災環境下，從受熱算起到建筑構件失去支撐能力、或發生穿透性裂縫、或背火面的溫度升高到預定溫度的時間1。由于實際火災的溫度時間關系與標準升溫曲線有一定的出入，因此由標準升溫曲線確定的建筑構件的耐4、火極限與實際火場中確定的建筑構件的耐火極限會有一定的差別。為了解決耐火實驗與實際火場條件不一致的問題，在標準耐火實驗和實際火場之間建立聯系，許多專家提出了等效爆火時間的概念。我國目前的防火規范中依然沿用“耐火極限”作為建筑構件在火災中安全性能的主要評價指標。1建筑構件耐火性能評價建筑物內火災荷載大小和火災成長系數大小是評定建筑火災危險性的重要指標。一般建筑物內火災荷載越大，可燃燒物越多，則火災盛期的熱釋放速率越大，火災持續時間越長，對建筑結構的熱損傷越嚴重，建筑火災的危險性還與建筑火災的成長系數有關，火災成長系數越大，則受火建筑的溫度上升越快，根據一些學者的研究成果顯示2,3，溫度上升速度越快5、，對建筑構件的熱損傷越嚴重，建筑構件的性能劣化越嚴重。建筑構件達到其耐火極限與其在迎火面一定深度所能達到的最高溫度有關，而構件所能達到的最高溫度又與構件所吸收的熱量有直接關系。為了衡量和比較建筑構件在實際火災和火災實驗中所吸收熱量的多少，Mehaffey.J.R4提出了“標準熱荷載”的概念，即單位面積建筑構件吸收的熱量。標準熱荷載H的定義式為：（1）式（1）中H是熱荷載（ ），q是建筑火災時建筑構件吸收的熱通量（ ）， 是火災持續時間(s)，一般取火災全勝時期的持續時間， 是建筑構件的熱慣性( )，k是建筑構件的導熱系數( )， 是建筑構件的密度( )，c是建筑構件的熱容( )。熱荷載間接的表6、達了火災中建筑構件截面的臨界溫度。一般來說，火災持續時間越長，建筑構件吸收的熱量越多，建筑構件的熱荷載越大，同時建筑構件的溫度越高。熱荷載在一定程度上將實際火場升溫條件和標準升溫條件下的建筑構件耐火性能進行了統一，只要建筑構件在兩種升溫條件下吸收的熱荷載相同，則構件具有相同的熱損傷程度，達到相同的破壞危險性。當建筑構件在標準升溫條件下，其受火面積蓄的熱荷載為 ， 與時間的關系為5：（2）式（2）中 為建筑構件在標準升溫條件下積蓄的熱荷載（ ）， 是建筑構件在標準升溫曲線下的受火時間（h）。根據標準升溫曲線下，建筑構件受火時間與建筑構件積蓄的熱荷載之間的關系，并統一時間單位可得： （3）式（3）7、中 為建筑構件在標準升溫條件下積蓄的熱荷載（ ）， 是建筑構件在標準升溫曲線下的受火時間（s）。實際火災條件下，建筑構件所積蓄的熱荷載與火災荷載大小、燃燒房間地面面積大小和房間總表面積大小、開口通風情況和建筑構件本身的熱惰性等條件有關。加拿大的Mehaffey.J.R和Harmathy.T.Z通過實驗研究和理論分析得到實際火災條件下，建筑構件積蓄熱荷載的表達式為4：（4）（5）（6）(7)式(5)表征的是建筑火災中建筑構件的實際熱吸收率，在實際建筑火災中，有一部分燃燒熱隨熱煙氣和輻射散熱、對流散熱的方式釋放到建筑外，只有部分燃燒熱釋放在建筑物內部為建筑構件吸收，所以建筑構件的實際熱吸收率 。式8、(6)式表征的是建筑物的通風條件。式(4)(7)中，G是建筑內的火災荷載（ ）,是空氣密度（ ）， 是著火房間的有效開口面積（ ）， 是著火房間的有效開口高度（ ），g是重力加速度（ ）， 是著火房間的高度（ ）,是著火房間的地面面積（ ）， 是建筑物內的火災荷載密度（ ）。2 消防射水對建筑構件火災后性能的影響建筑發生火災后，消防射水是最常用的滅火方式，當混凝土經受高溫后，再經射水冷卻，會加重混凝土構件性能的劣化。混凝土構件高溫后，通過射水冷卻時，由于受到驟冷，使混凝土受到冷沖擊，混凝土強度下降厲害，性能劣化嚴重7。目前評價混凝土高溫后射水冷卻一般都是從其剩余強度來考慮，特別是其抗壓強度。混9、凝土構件在經受高溫后，由單一的熱損傷可能致使混凝土構件不會達到其耐火極限，但在混凝土構件經受高溫后又經射水冷卻，混凝土構件在火-水耦合的雙重作用下，可能達到其耐火的最大承受能力，致使混凝土構件嚴重破壞。對應于混凝土積蓄熱荷載到受到熱損傷，高溫混凝土在消防射水條件下吸收一定的“冷荷載”受到相應的損傷。現將混凝土構件在消防射水作用下強制失去其在高溫條件下積蓄的熱荷載定義為混凝土吸收的“冷荷載”，用符號C表示。考慮極端情況下，即建筑構件在火災中經受火災最高溫度并持續一段時間，同時在消防射水作用下強制冷卻至一定溫度,混凝土建筑結構在受熱時受到熱荷載的作用，在消防射水時受到冷荷載的作用。當混凝土構件在受10、熱后自然冷卻時，可以近似認為混凝土只受到熱荷載的作用；當混凝土構件在受熱后經消防射水冷卻，可以近似認為混凝土構件受到熱荷載和冷荷載的雙重作用。根據已有的研究結論可知，高溫混凝土射水冷卻后的剩余抗壓強度低于自然冷卻后的剩余抗壓強度8。用混凝土的抗壓強度近似評價混凝土在火-水耦合情況下受到熱荷載和冷荷載雙重作用后的性能。混凝土受到熱荷載的單方面作用后，其性能會劣化，混凝土受到熱荷載和冷荷載的雙重作用后，其性能將劣化更嚴重，由此可以看出，混凝土吸收的熱荷載與高溫后混凝土的剩余抗壓強度成反比，同時，混凝土吸收的熱荷載與冷荷載耦合強度與高溫混凝土射水冷卻后的剩余抗壓強度成反比。根據以上分析有： （8）（11、9）（10）式（8）中 表征建筑構件吸收熱荷載和冷荷載耦合作用的強度；式（9）式中 表征的是建筑構件吸收的熱荷載大小， 表征的是建筑構件單純吸收熱荷載后建筑構的剩余抗壓強度大小；式（10）中表征的是建筑構件吸收熱荷載和冷荷載耦合作用后建筑構件的剩余抗壓強度大小。令： （11）雖然此處 是由建筑構件高溫后抗壓強度與其吸收冷、熱荷載的關系推導出來的，但是可以由建筑構件高溫后抗壓強度、抗拉強度等評價指標綜合表征的一個系數。3結論運用熱荷載在一定程度上將實際火場升溫條件和標準升溫條件下的建筑構件耐火性能進行了統一，同時運用冷-熱荷載判斷消防射水作用下建筑結構的耐火性能，便于實際消防工作中及時掌握建筑結12、構的耐火性能。參考文獻：1 霍然,胡源,李元洲.建筑火災安全工程導論M.第二版.安徽合肥:中國科技大學出版社,2009.2 劉紅彬,李康樂,鞠楊,盛國華,馮磊.高強高性能混凝土的高溫力學性能和爆裂機理研究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 Requirements13、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.建筑防火性能化設計M.北京,化學工業出版社.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 徐志勝.高溫作用后混凝土強度試驗研究(J) .混凝土,2000 , (2) :44 - 45.注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。