混凝土高性能化是今后結構混凝土發展的必然趨勢，而抗火是土木工程防災的一個重要分支�！陡咝阅芑炷两Y構抗火設計原理》以高性能混凝土結構為主要研究對象，結合多年來的科研成果及國內外文獻的梳理與分析，針對高性能混凝土結構火災反應、抗火性能及火后評價等，力圖建立高性能混凝土結構抗火設計基本原則和方法�！陡咝阅芑炷两Y構抗火設計原理》共10章，第1～3章介紹結構抗火設計基礎知識和方法；第4～7章介紹高性能混凝土材料高溫力學性能及高性能混凝土構件與結構的火災反應規律；第8、9章介紹高性能混凝土結構抗火設計原則及火后檢測與加固特點；第10章介紹高性能混凝土結構火風險分析。
第1章 緒論
1.1火災分類
火是人類得以生存、賴以發展的自然饋贈。但火災是發生*頻繁且極具毀滅性的災害之一，火一旦失去控制就會蔓延成災，造成不可估量、無法挽回的損失，嚴重威脅人類的安全、生存和發展。自古以來，火災使人類蒙受巨大損失，火災造成的直接損失約為地震的5倍，僅次于干旱和洪澇，而發生的頻度卻居于各種災害之首[1]。
火災類型有建筑火災、工業生產設備火災、森林火災、交通工具火災等。在各類火災事故中，建筑火災是*常見、*危險、對人類生命和財產造成損失**的火災，約占全部火災的80%。
1.2火災災害
盡管近年來科技的發展使人們對火災的預測、防護水平有所提高，但災難性事故仍時有發生。僅2013年，美國發生124萬起火災，造成3240人喪生和115億美元的經濟損失。其中建筑火災48.75萬起，直接經濟損失達95億美元。在我國，2013年統計火災38.8萬起，死亡2113人，受傷1637人，直接財產損失48.5億元，建筑火災26.015萬起，直接經濟損失38.9億元，分別占總起數和總直接損失的67%和80%［2］。建筑火災除了直接危害人類的生命財產以外，對建筑結構也產生明顯不利的影響，建筑結構在火災中嚴重破壞甚至倒塌的情況屢有發生，因此火災及其防護必然成為科技工作者和工程技術人員不可回避的一個重要研究領域。
一般而言，鋼筋混凝土結構的抗火性能優于鋼結構和木結構。但若抗火設計不當，也會造成嚴重后果。例如，湖南省衡陽市珠暉區的八層永興綜合樓，底層是鋼筋混凝土框架結構，上面為磚混結構的住宅，2003年11月3日凌晨，在火災中突然倒塌，奪走了20名消防官兵的寶貴生命（圖1.1）。2004年12月21日7點43分，湖南省常德市鼎城區武陵鎮橋南市場發生火災�；馂钠鹪从谝粭�4層的商業樓，大火造成69人受傷，直接經濟損失上億元（圖1.2）。2009年2月9日晚，在建的中央電視臺電視文化中心（北配樓）發生特大火災，大火造成1名消防戰士犧牲、多人受傷，造成直接經濟損失1.6億元。2010年11月15日14時，上海余姚路膠州路一棟高層公寓起火，大火導致58人遇難，另有70余人受傷。2015年1月2日下午，哈爾濱一倉庫發生大火，22時突然發生塌方，導致5名消防員殉職。
圖1.1湖南衡陽特大火災現場
圖1.2湖南常德橋南市場火災現場
事實上，火災燃燒過程所釋放的熱能，一部分會被房間的四壁所吸收，而更大的一部分卻通過對流和輻射被傳播到其他空間中去。例如，火可以通過外墻板蔓延到其他建筑物上，也可以在對流和壓力場作用下，使燃燒生成物在建筑物內的水平與垂直通道上迅速蔓延，且在垂直方向蔓延的速度要比水平方向快很多。這就解釋了為什么在建筑火災中，失火層的損失往往要小于上一層的損失。由此，我們有必要探討火災中的兩個重要的物理現象：煙氣運動與傳熱。
1.2.1煙氣運動
在建筑物中，火災發生時引起煙氣運動的主要途徑有煙囪效應、浮升力、膨脹力、風壓和空調系統等[3]。
1.煙囪效應
建筑物室內外空氣通常都存在溫差，當室外空氣溫度低于室內空氣溫度時，在建筑物的豎井中（如樓梯間、電梯井、管道井、空調垂直風道等）的空氣就會向上運動，這種現象稱為煙囪效應。對高層建筑而言，在室內外空氣溫度差較大時，其煙囪效應更為明顯。當室外空氣溫度高于室內空氣溫度時，在建筑物的豎井中的空氣就會向下運動，這種現象稱為逆煙囪效應。
在豎井內、外靜壓相等的未知面稱為中性面，一般在建筑物的中間位置［4］。建筑物在煙囪效應或逆煙囪效應作用下，空氣的運動方式如圖1.3所示。在煙囪效應下，若著火位置位于中性面之下，煙氣則會迅速地向建筑物上部蔓延；若著火點位置位于中性面之上，煙氣則會向上一層蔓延，這時在中性面之下部位會比較安全，不會受到煙氣的侵害。在逆煙囪效應作用下，煙氣運動的方向則與上述相反。
圖1.3煙囪效應或逆煙囪效應作用下空氣的運動方向
2.浮升力
火災時高溫煙氣在建筑內部的運動存在向上的浮升力，從而導致煙氣沿建筑物內部向上蔓延，隨著煙氣的流動和煙氣濃度被稀釋，浮升力的作用會逐漸減小。浮升力的大小與著火處周圍的空氣溫度有關。
3.膨脹力
除浮升力外，火災能量的釋放還可使周圍的空氣體積快速膨脹，空氣膨脹量的大小與著火溫度及周圍環境溫度有關。
4.風壓
許多情況下，室外風對建筑物內的煙氣運動會產生較大的影響。
5.空調系統
建筑物內的中央空調系統給人們的工作、生活創造舒適的環境條件，但火災發生時煙氣卻可借助空調系統的送、回風管道在建筑物內蔓延，給居住在建筑物內的人員帶來危害。此外，若空調系統對著火區域送風，還會起到助燃作用，增加火勢。因此，當建筑物發生火災時應立即關閉所有空調系統，以避免煙氣在建筑物內更廣泛傳播。
1.2.2傳熱
自然界中會經常出現熱的傳遞問題。熱力學第二定律指出，哪里有溫差，哪里就有熱量的傳遞，而且熱量總是自發地由高溫物體傳向低溫物體。由流動著的煙氣所實現的熱量轉移，在火災中扮演了重要的角色。火災中的傳熱是一種非常復雜的物理現象，這主要是因為存在著高溫、不明顯的瓦斯、大量水蒸氣等現象，當然，還因為其排放時所具有的快速可變特征。傳熱可分為輻射、對流和傳導三種模式[5]：輻射傳熱是以電磁波的形式把熱由一個物體傳向另一個物體的現象；對流傳熱是指依靠流體的運動，把熱量由一處傳遞到另一處的現象；傳導是指物體各部分無相對位移或不同物體直接接觸時依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運動而進行的熱量傳遞現象。需要指出的是，火災中的傳熱并非是以某一種傳熱方式單獨進行的，而總是以輻射、對流、傳導這三種方式綜合作用進行的。
當某一室內發生火災時，著火體便向四周進行熱輻射，并向周圍空氣進行導熱�？扇嘉镏車幕鹧娓浇鼫囟�**，遠處的溫度略低，同時，熱氣流上浮，產生對流，轉移熱量。由于著火體的熱輻射和室內空氣溫度的升高，使外圍護墻、地板、頂棚等構件表面的溫度升高，熱量便由室內向室外低溫處流動，如圖1.4所示。
圖1.4火災中的傳熱
1.3建筑防火與結構抗火
建筑結構防火從設計上來講，可以分為建筑防火和結構抗火兩個方面。
1.3.1建筑防火
人類在同建筑火災斗爭中表現的智慧、積累的經驗教訓構成了建筑消防歷史文化。在我國的古籍中，就有關于春秋戰國時期的消防行政管理和防火、滅火技術等多方面的文字記載，隨后，人類才開始從建造過程中注意建筑的防火；但直到近千年以后，才開始真正意義上的建筑火災研究。
建筑防火著重于從平面布局和材料選擇等方面解決建筑物的防火問題。在這一階段應在規劃、設計中做周密的考慮，以便把火災隱患減少到**的程度，并為一旦發生火災創造撲救條件。我國《建筑設計防火規范》（GB50016―2014）[6]從建筑物的耐火等級、層數、間距、通風、防火材料的選用、建筑構造、消防措施等方面給出了合理的規定，具體到民用建筑、工業廠房、高層建筑防火設計的各個環節，有效地起到了減少火災損失的作用。
具體來講，我國建筑防火設計主要考慮以下幾個方面的技術問題[3]：
(1)合理規劃建筑布局，確定建筑物的耐火等級。
(2)劃分建筑內的防火分區和防煙分區。
(3)確定各構件的耐火時間。
(4)劃定避難通道，計算避難出口。
(5)設立防、排煙系統。
(6)加設自動報警、廣播和疏散誘導系統。
(7)消火栓系統和自動滅火系統。
(8)建筑內裝修的防火設計。
建筑防火設計是一個系統工程，它既要考慮各個部分的特殊性，又必須綜合考慮整個系統的協調性，這就需要逐步做到整體優化，近年來發展起來的計算機模擬系統（消防疏散）為建筑防火設計提供了重要手段。
1.3.2結構抗火
結構的功能為抵抗各種環境作用，如抵抗重力、抵抗風荷載（抗風）、抵抗地震（抗震）等。火作為一種環境作用，結構同樣需要抵抗[7]。
結構抗風與抗震是通過設計足夠大的結構構件以抵抗由風或地震產生的結構內力來實現的，結構抗火也是如此�？梢詮膬蓚�途徑進行研究[8]：一是把火災的高溫作用等效為一種荷載，與結構上的其他荷載（恒載、活載、風載、地震作用等）一起參與荷載效應組合，按近似概率極限狀態設計方法進行設計，即建立考慮或受高溫作用的統一的結構設計方法；二是對已按常規方法完成設計的混凝土結構，進行抗火能力驗算，以滿足相應的抗火要求。
在抗火設計中，建筑結構應該滿足的功能要求可概括為以下三個方面。
1.承載能力要求
建筑結構應能承受正常施工和正常使用時可能出現的各種荷載和變形，在火災發生時和發生后保持必需的整體穩定性，不致發生倒塌。
2.分隔功能要求
建筑結構應該劃分防火分區，有效地將火災限制在某一區域內。設計中要保證火災中防火分區的分隔功能完好，主要體現在絕熱性和完整性兩個方面。
3.可修復功能要求
在發生火災的建筑物中，大部分混凝土結構并未失效或倒塌，經過一定的修復加固后仍可繼續使用，這將產生巨大的經濟效益。在設計中應該綜合考慮經濟性以及結構的重要性，保證結構具有相應的可修復性。
參 考 文 獻
［1］范維澄，王清安，姜馮輝，等．火災學簡明教程．合肥：中國科學技術大學出版社，1995.
�。�2］公安部消防局．中國火災統計年鑒（2014年版）．昆明：云南人民出版社，2014.
［3］李引擎，邊久榮，熊洪，等．建筑安全防火設計手冊．鄭州：河南科學技術出版社，1998.
�。�4］許曉元.高層建筑豎向通道中性面位置研究［碩士學位論文］.合肥：中國科學技術大學，2011.
［5］章熙民，任澤霈．傳熱學（第四版）．北京：中國建筑工業出版社，2001.
［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑設計防火規范（GB 50016―2014）.北京：中國計劃出版社，2014.
［7］李國強，韓林海，樓國彪，等．鋼結構及鋼\|混凝土組合結構抗火設計．北京：中國建筑工業出版社，2005.
�。�8］范進，呂志濤．混凝土結構抗火研究的主要內容．建筑技術，1999，30(5)：319-320.
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