火灾时钢筋混凝土结构可靠性评估方法研究综述

在各类工用民用建筑中，混凝土结构和钢结构占有非常大的比重。但经过火灾时，高温场的作用后，钢筋混凝上构件发生十分严重的的材料性能的劣化，构件内部的内力将重分布，使结构的承载性能迅速削弱，并产生明显的结构变形，会危及结构的整体稳定性，导致

结构发生局部损坏甚至造成整体倒塌。工用建筑中，钢结构以其强度高、重量轻、抗震性能好等优势在工程中得到了广泛应用。又由于钢材在400℃时屈服强度将急剧下降，只能达到在室温下的一半，当温度达到约600℃时，钢结构基本丧失全部的力学性能。因此，钢结构建筑面临的最大问题就是火灾影响。例如： 2001年“911”恐怖袭击，恐怖分子劫持民航飞机撞击世贸双塔楼，爆炸造成世贸中心承重钢结构的防火保护层脱落，随后的火灾使钢结构的力学强度性能大幅削减，导致着火楼层柱群失稳，造成了导致世贸中心坍塌的惨剧，在这次灾难中共有3000多人死亡或失踪。因此，研究建筑结构的抗火性能，在火灾发生后减损，减少伤亡也是我们应该关注的研究内容。研究建筑结构抗火强度的传统方法，通常根据首先确定结构的力学模型来对结构进行抗火分析。又由于建筑结构在其设计、施工和使用过程中比如存在的不确定性，传统方法对其中定性分析得到的安全度不能给予更加明确的定量的解释。其中安全系数的取值，根据工程事故的发生率的随时进行调整，这是以很多的材料浪费和潜在的巨大损失为代价的。因此，用客观的理性的评估方法来替代主观的定性的评估方法是建筑技术的发展要求。

按照《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068一2001）中的规定，结构构件的可靠性应该包括安全性、适用性和耐久性。一般情况下这三者是相互关联的，结构的可靠性是可以通过以上的这些可靠性指标来进行定量的分析。尽管现行的结构可靠性设计统一标准及有关规范己包含结构耐久性的概念，但在结构设计中并未考虑一些由于突发的偶然事件造成结构性能发生的变化，影响结构的安全性。由此可见，将可靠性理论应用于建筑结构抗火研究无论是在理论研究方面还是实际工程上都有重要的研究价值。特别是通过对传统方法的改进研究，建立一整套更加符合工程实际的，定量的建筑结构抗火可靠性评估方法，分析火灾对结构可靠性的影响，从而评估结构的抗火可靠性，当火灾发生时能够尽量减少由于破坏或倒塌所造成的人员伤亡以及财产损失，变得极为紧迫和必要。

一、火灾环境模型研究进展

建筑结构抗火设计的研究主要可分为以下四个方面： 结构在火灾下的反应研究，火灾环境研究、火灾后结构的损伤评估与修复加固研究、抗火设计方法研究。人们在研究建筑结构抗火分析与设计时，首先关注的是空气温度的分布及其随时间的变化。最初研究人员通过多次试验测得数据来取得结构构件的抗火性能并制订了标准火灾升温曲线。目前国内采用最多的是国际标准组织制订的火灾升温曲线，对于一般的室内火灾，火对建筑结构力学等性能的影响性主要体现在轰燃现象发生以后，此时建筑物内所有可燃物都在剧烈的燃烧，并且室内空气场分布均匀。各国学者通过对火灾的资料数据进行统计分析，归纳出几种室内火灾的空气升温过程，如马忠诚模型、ASCE模型和欧洲规范模型等。

建筑材料的力学性能随温度升高而劣化的过程与其内部各点的温度变化密切相关。火灾发生时，燃烧物质所释放出的热量通过辐射、对流以及传导等方式将热量传递到结构构件的表面，同时也传递到结构构件的内部。但混凝土是一种热惰性材料，它的热传导系数较小，受火时混凝土内部的温度随其距构件表面距离增大而迅速减小。这种构件内部的温度场随着火灾时间不断变化，一般可以用傅里叶导热微分方程求解。

根据文献，金贤玉给出了一种较为精确的计算构件内部温度场的方法，采用差分法分析了受火的混凝土构件内部温度场的情况。利用有限元法计算构件内温度场也比较精准，一般假设梁、柱等构件的温度沿轴线方向不变，将三维问题简化成二维问题。火灾时构件内的温度场求解是一个非线性瞬态问题。其中根据火灾时室内温度变化规律，利用热传导方程的方法得到了火灾时钢混结构内部的温度场分布，并分析分析了楼板中的钢筋构件在火灾时的升温规律，提出了火荷载密度、墙体热惰性以及混凝土保护层的厚度等对楼板耐火极限的影响大小。利用有限差分的方法法对火灾下多高层建筑组合楼板中的温度场分布情况进行了研究，并改进了火灾下组合楼板内部温度场的计算方法，通过对标准升温曲线作用下组合楼板内部温度变化的影响参数进行分析，得到了简化公式。

对于钢构件来说，由于其本身的材料特性、力学特性，可分为轻型钢构件和重型钢构件。钢材有极强的导热性，因此可假设轻型钢构件同一截面上的各点温度相同；而重型钢构件由于截面过大，则不能认为截面上各点温度完全相同。目前研究人员根据构件单位长度的表面积与体积之比来划分轻型钢构件和重型钢构件。

二、火灾下建筑结构构件可靠性的研究进展

目前，可靠度理论在工程应用中已扩展到结构设计和分析的各个步骤中。上世纪20年代开始，国际上的一些专家学者便开始对结构可靠性理论展开研究。到了70年代，可靠度评估方法成为了研究结构构件可靠性的十分关键的核心内容。1986年，国际标准化组织发布了《结构可靠性总原则》，并在1998年发布了修订版，推进了结构可靠度评估方法和设计理论的发展。早期的可靠度计算只考虑随机变量的均值和方差，现行的《混凝土结构设计规范》；以及《钢结构设计规范》采用的是以可靠度理论为基础的概率极限状态设计法，采用可靠度指标来度量结构构件的可靠性。

火灾作用下建筑结构的可靠性分析的研究涉及的学科范围较广，目前国内外相似研究领域的一些文献为开展此项研究提供了必要的理论基础。总结了结构性能劣化的原因，提出了一种与规范推荐的方法相协调的，考虑抗力随时间变化的研究结构可靠度的分析方法。研究了构件和系统的时变可靠性。通过具体算例说明最小抗力点是结构可靠度分析的关键点。提出了在不同大气环境下混凝土结构可靠度的方法，计算了不同影响参数对钢筋混凝土结构可靠度的影响，如环境不同、混凝土强度不同，保护层厚度不同等。分析了火灾时钢筋混凝土梁截面的温度场分布，建立了火灾后梁的抗力模型和极限状态方程，通过可靠性指标的变化，分析了不同受火时间对梁可靠度的影响。在的基础上，考虑了荷载和抗力在火灾发生前随时间衰减的动态可靠性。分析了钢筋混凝土柱的截面尺寸、长细比、配筋率、强度以及保护层厚度等对火灾后混凝土柱的可靠度的影响。对火灾时升温过程的影响参数的随机性进行了研究，构建了影响参数的概率模型，并用蒙特卡洛法对升温过程影响参数的随机性进行模拟和验证。

参考文献

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[2] 钢结构设计规范（GBSOol7一2003）.中华人民共和国国家标准，2003

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[4] 李国强，殷颖智，蒋首超.火灾下组合楼板的温度场分析.工业建筑.1999，29（12）：47-49P

[5] 贡金鑫.考虑抗力随时间变化的结构可靠度分析.建筑结构学报.1998，19（5）：34-43页

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