【摘要】由于城市的密集化程度越來越高，人口持續(xù)增長，
多高層現(xiàn)代建筑（多以鋼筋混凝土建筑居多）也越來越多，從而
導(dǎo)致建筑火災(zāi)頻繁發(fā)生，后果也越來越嚴重，造成人類生命及財
產(chǎn)蒙受重大損失。因此有必要研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能。
【關(guān)鍵詞】混凝土；結(jié)構(gòu)；抗火；發(fā)展
近年來，國內(nèi)外開展了高溫（火災(zāi)）下鋼筋混凝土材料、構(gòu)
件及相應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力性能的實驗研究及分析，并取得了一些成果，
現(xiàn)就鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能研究內(nèi)容、設(shè)計及現(xiàn)狀與發(fā)展做簡
單介紹。
引言
火災(zāi)給人類的生命財產(chǎn)造成極大的損失，火災(zāi)造成的經(jīng)濟損
失僅次于干旱和洪澇，而發(fā)生的頻度則位居各種災(zāi)種之首。目前，
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國主要建筑結(jié)構(gòu)形式之一。盡管鋼筋和混凝
土材料屬于熱惰性材料，但由于火災(zāi)的高溫作用，材料性能將嚴
重劣化，在結(jié)構(gòu)中將發(fā)生嚴重的內(nèi)（應(yīng)）力重分布，使結(jié)構(gòu)性能
大大削弱，危及結(jié)構(gòu)的安全。建筑結(jié)構(gòu)特別是鋼筋混凝土框架結(jié)
構(gòu)在火災(zāi)中坍塌的事故時有發(fā)生，往往造成重大的人員傷亡和財
產(chǎn)損失。研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能十分必要和迫切。
1 混凝土結(jié)構(gòu)抗火理論研究內(nèi)容
混凝土結(jié)構(gòu)抗火的全過程分析包括三部分：室內(nèi)火災(zāi)溫度場
分析、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場分析和抗火性能分析。
1.1 混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場
影響溫度場的因素較多，但目前的研究仍不夠全面。由于骨
料和水泥石的熱膨脹和熱工性能不同，高溫作用必然使混凝土內(nèi)
部產(chǎn)生微裂縫，這些裂縫的存在和分布均是隨機的，因而溫度場
分析時可將混凝土視為宏觀連續(xù)均質(zhì)體，但當這些裂縫寬度較大
甚至貫通形成內(nèi)部空隙和孔洞時，這種假定顯然不符合實際，但
目前尚未對此進行專門研究，更未形成理論體系。
1.2 混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的力學(xué)行為研究
鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)分析是在溫度場計算的基
礎(chǔ)上進行的，主要包括承載力、變形計算和耐火時間極限分析。
1.2.1 承載力和變形計算
對一般構(gòu)件而言，承載力變化主要取決于鋼筋和混凝土在火
災(zāi)中的損傷程度，而對超靜定結(jié)構(gòu)，還取決于不同部位構(gòu)件在火
災(zāi)中剛度下降不同而導(dǎo)致的內(nèi)力重分布。在試驗研究基礎(chǔ)上，國
內(nèi)外都對梁、柱、框架等進行了不少火災(zāi)極限承載力試驗，而在
理論分析上，主要是對構(gòu)件截面承載力進行計算。較早的抗火承
載力計算是先確定溫度場分布，對材料計入相應(yīng)的強度折減系數(shù)，
將高溫下截面轉(zhuǎn)化為有效截面，再按照類似于常溫條件下的承載
力求解方法求解。目前的理論計算已大大改進，一般做法是根據(jù)
溫度場計算結(jié)果將截面劃分成區(qū)，計算內(nèi)力和變形的關(guān)系，在截
面承載力計算時，一般仍假定平截面假定成立，且忽略拉區(qū)混凝
土的作用及剪切效應(yīng)等，但需事先明確和建立鋼筋和混凝土的高
溫本構(gòu)關(guān)系、熱變形及瞬時徐變模型。對于構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的變形、
撓度等的計算，可通過牛頓-拉夫遜（正切剛度）法，或把熱膨脹、
徐變與荷載產(chǎn)生的應(yīng)變分開計算截面的彎矩-曲率關(guān)系，從而計算
每一時刻的單元剛度，通過有限元完成分析計算，因此重點在于
確定高溫下鋼筋與混凝土的應(yīng)變。目前，對承載力和變形的理論
計算仍不完善，主要表現(xiàn)在建立計算模型時，引入了各種假定，
忽略了某些影響因素。這些因素主要包括剪切作用、高溫下鋼筋
混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系、熱邊界條件變化（尤其是混凝土開裂
及內(nèi)部缺陷損傷）等。
1.2.2 耐火極限研究
目前，國內(nèi)外在構(gòu)件的耐火極限理論等方面的研究不夠深入。
董毓利指出，Harmathy 提出的針對單層實心板、雙層復(fù)合板、實
心板的經(jīng)驗半經(jīng)驗公式是基于 1200 多個構(gòu)件的耐火試驗得出的，
并形成了一些確定耐火極限大小的規(guī)則。隨著研究的不斷深入，
Karamoko 等基于混凝土柱已提出了火安全分析方法，這有助于構(gòu)
件耐火極限的確定。在國內(nèi)，陸洲導(dǎo)等以試驗為基礎(chǔ)，通過建立
數(shù)學(xué)模型，采用有限元法預(yù)測梁的耐火性能，為確定建筑構(gòu)件的
耐火時間開辟了新的思路。這種思路可采用有限元、輸入實際火
災(zāi)情況下各種火災(zāi)過程的數(shù)學(xué)模型，而耐火試驗只能在標準升溫
曲線下進行，從而預(yù)示了分析法逐漸取代耗資巨大的標準耐火試
驗的趨勢，應(yīng)該成為今后的研究重點。
2 混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計
2.1 混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法
混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能全過程分析，可以通過非
線性有限元分析獲得準確解，從理論上是可行的，但計算復(fù)雜，
因此有必要建立具有工程準確性，簡單實用的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)高溫承
載力的近似計算方法。對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在高溫后的極限承載力計算
可以采用以下的基本假定：（1）截面溫度場已知；（2）計算截面
溫度場時，忽略截面上鋼筋的作用以及截面應(yīng)力和裂縫狀況等的
影響，截面上鋼筋溫度值取所在位置的混凝土的溫度；（3）平截
面假定；（4）鋼筋和混凝土之間無相對滑移；（5）忽略混凝土的
高溫抗拉作用。因為混凝土高溫抗壓強度隨溫度升高而變化，所
以混凝土構(gòu)件截面上溫度的不均勻分布就有相應(yīng)的不等的抗壓強
度值，這樣使耐火承載力的計算復(fù)雜化。
2.2 混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的構(gòu)造措施
試驗研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)的耐火極限是隨著主筋保護層厚
度成正比增加的，增大鋼筋保護層厚度是最直接、最有效的提高
構(gòu)件抗火能力的措施。
3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究發(fā)展趨勢
目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究的總趨勢為：考慮建筑物的
真實火災(zāi)特性、基于整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)反應(yīng)、確定結(jié)構(gòu)抗火性能指
標、對結(jié)構(gòu)進行性能化抗火設(shè)計是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計研究的發(fā)展趨勢。
3.1 整體結(jié)構(gòu)受火性能研究
現(xiàn)有的抗火設(shè)計一般都是基于單個構(gòu)件，但在火災(zāi)下，由于
材料性能的劣化，各構(gòu)件剛度的變化，將引起劇烈的內(nèi)力重分布，
單個構(gòu)件的分析可能出現(xiàn)保守或不安全現(xiàn)象。因此，分析火災(zāi)下
建筑物倒塌的機理，掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的規(guī)律，能夠有效保證
結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的安全性。應(yīng)加強火災(zāi)作用下（后）結(jié)構(gòu)連接節(jié)點
的工作機理研究、火災(zāi)下大跨度結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)及倒塌破壞機制
研究以及火災(zāi)下多高層結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)及倒塌破壞機制研究等。
3.2 基于性能的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法研究
目前“處方式”建筑防火設(shè)計規(guī)范確定構(gòu)件耐火極限不能滿
足建筑結(jié)構(gòu)可靠性和最優(yōu)成本的要求，因此有必要基于建筑物的
整體消防安全目標確定結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)進行基于性
能目標要求的抗火設(shè)計）確定結(jié)構(gòu)抗火的性能化目標，調(diào)整或修
改設(shè)計目標，直到滿足性能化目標的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計。
3.3 結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)計算機模擬技術(shù)研究
隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使得利用火災(zāi)計算機模擬技術(shù)
進行結(jié)構(gòu)抗火研究成為可能�；馂�(zāi)計算機模擬技術(shù)的內(nèi)容包括：
火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展全過程的預(yù)測，結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的熱反應(yīng)和力學(xué)反
應(yīng)的非線性分析等。由于火災(zāi)計算機模擬技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)工程，火
災(zāi)科學(xué)，計算機科學(xué)等學(xué)科知識體系，相當復(fù)雜，目前世界范圍
內(nèi)還沒有通用的火災(zāi)計算機模擬軟件，因此圍繞這方面的研究還
有許多工作。