1、學校代碼： 10128學 號： 201080691009土木工程學院科研訓練題 目：火災對建筑結構影響的研究班 級：土木10-4班姓 名：關永亮學 號：92013年12月摘要 火災荷載密度的大小直接關系到火勢的猛烈程度，當火災荷載密度大時，火勢猛烈，升溫快、持續(xù)時間長。建（構）筑物倒塌事故隨時可能發(fā)生，且事故前兆很不明顯，允許人員逃生的時間極短，待人們察覺時，倒塌事故往往已經(jīng)造成了嚴重后果。尤其是大型鋼筋混凝土結構發(fā)生火災后坍塌的案例不多，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗借鑒，也缺乏相應的理論支持。從實際經(jīng)驗分析，從發(fā)生火災到坍塌的時間長短不一。相似的建筑，有的在熊熊大火中燃燒幾十小時沒有發(fā)生坍塌，有的僅幾小時

2、就發(fā)生了坍塌。關鍵詞火災 建筑結構 火災荷載 高層引言隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑逐步增多，火災荷載和不安全因素也隨之增加。如果因火災而造成高層建筑倒塌，必將給救人和滅火帶來更大的困難，給擔負搶險救援任務的消防隊員提出更高的要求和挑戰(zhàn)。據(jù)調查，美國“9.11”紐約世貿(mào)中心倒塌的原因在于大火熔化了支撐鋼筋，而不是飛機的直接撞擊。因此，在撲救建筑火災時，要充分考慮建筑的倒塌問題。在美國“9.11”紐約世貿(mào)中心爆炸現(xiàn)場滅火的300多名消防人員主要就是因建筑倒塌而喪生。在我國，近年來由于在滅火中因建筑結構破壞、倒塌而造成消防人員傷亡的事故也曾發(fā)生。因此，加強建筑結構破壞、倒塌特點和規(guī)律的研究探討，制定切實

3、可行的滅火救援預案，無疑對減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有非常重大的意義。正文一、火災條件下建筑結構倒塌的原因。 建筑物中建筑構件名目較多，近年來隨著一些新材料、新工藝、新技術在建筑領域中的廣泛應用，建筑構件的性能也變得越來越復雜，燃燒破壞的特點也趨于多樣性。不同建筑構件均具有自身的燃燒性能和耐火極限?；馂臈l件下，隨著建筑材料和構件的燃燒和破壞，整個建筑結構也必然受到一定的影響，直至遭到局部的破壞或整個的倒塌。結構的倒塌與破壞，是由燃燒和高溫條件造成的，倒塌和破壞的原因主要有以下幾個方面： （1）預應力鋼筋混凝土結構遇熱，失去預加應力，從而降低結構的承載能力。（2）磚石砌體受熱變

4、形開裂?；◢弾r因部石英、長石、云母不同的熱變形而碎裂。硅酸鹽砌塊也因部的熱分散而松散。（3）鋼結構受熱變形破壞。鋼結構受熱后，很快出現(xiàn)塑性變形，在火燒15-20min 左右，杠件變成“面條”一樣，隨著局部的破壞，造成整體失去穩(wěn)定而破壞，而且破壞后的鋼結構是無法修復重新使用的。（4）木結構表面被燒蝕，削弱了荷重的斷面。木材起火燃燒，表面炭化，如果剩余截面的面積仍能承受原有全部荷重，結構是不會倒塌的。特別是消防隊與時到達火場在撲救火災時，構件外表面的炭層吸收大量的水，對結構來說，還是一個很好的保護層。所以大斷面比較有利。 在加熱爐中實驗時，可以看到，預應力鋼筋混凝土構件，在受熱

5、數(shù)小時后，便出現(xiàn)較大的變形。顯然，這是因為主拉鋼筋伸長的結果。所以預應力鋼筋混凝土結構在耐火方面的性能，是不如普通鋼筋混凝土結構的，必須加厚鋼筋保護層的厚度。 （5）高溫下建筑材料的力學性能改變，強度隨著溫度升高而降低，以與火災條件下結構產(chǎn)生的熱應力，在目前的結構計算中還沒有考慮到。（6）建筑物部爆炸的沖擊和震動，常是摧毀建筑物的一種主要原因。建筑結構的抗爆計算，因沖擊波的力量較大，而需與防爆泄壓設施同時考慮。（7）上部結構倒塌落在樓板上，或滅火積水不能排除，或樓板上的物資大量吸收滅火水流，大增加了樓板的荷重，使樓板因大量超載而塌落。歷史老照片不能說的秘密（8）滅火射水落在高溫的磚石

6、、混凝土或鋼筋混凝土結構表面，由于突然的冷卻造成結構表面因收縮開裂，表皮剝落。特別關鍵的是破壞了鋼筋混凝土結構的保護層，在火未熄滅前，使火直接燒到主拉鋼筋，鋼筋立即失去強度，而使整個結構破壞。    二、火災條件下建筑結構破壞的一般規(guī)律。 火災條件下建筑結構的倒塌破壞，往往使室通風更加良好，加速室的燃燒，并且會破壞防火分隔物，使火勢得以擴大蔓延，為正確實施滅火救人與自救帶來極大的困難。因此，掌握建筑倒塌的一般規(guī)律，對消防人員來說，是非常必要的。一般說，結構倒塌有以下規(guī)律： （1）木結構屋頂，整個倒塌的少，局部破壞的多。鋼結構屋頂，局部

7、被火燒毀，其余部分往往被燒的部分塌落，也同時由墻頭拉到地面上來。（2）吊頂、屋架、木樓板、空心墻、泥土墻，易燃建筑等，都是易于倒塌破壞的。（3）土坯墻是耐火不燃的，但由于消防射流的強力沖擊，也會遭到破壞。（4）倒塌的次序，一般是先吊頂，后屋頂，最后是墻壁。（5）一般房屋的墻是向里倒的。 三、火災條件下幾種常見結構破壞的具體情況與一般應對方法 1、鋼結構屋頂 鋼的耐火性差。溫度在450-500時，承載能力便大大減弱。溫度再高，鋼材變軟，變形顯著，屋架翹曲，屋頂隨著就會塌落，經(jīng)過的時間很短，一般在10-20min左右。由于鋼結構屋頂空間工作的條件，在屋架之間聯(lián)結了很多

8、的支撐桿件，因而也就決定了，鋼結構屋頂?shù)钠茐氖钦w的，或者是較大部分的，很少是局部的。在鋼結構屋頂建筑物起火時，要防止火直接燒到屋架，但也不要對溫度很高的鋼結構進行驟然的冷卻，因為這些都是加速屋頂塌落的重要原因。使用噴霧水流，或使用直流水槍，對著屋面板射水，借以冷卻屋架上弦，在火災初期是有效的?？梢园呀Y構保存下來，不會遭到嚴重破壞。但滅火人員在撲救時，一定要隱蔽在不會因屋頂?shù)顾鴤说陌踩攸c。 2、鋼筋混凝土構件混凝土是耐火的。對滅火來說，它是比較安全可靠的。普通鋼筋混凝土結構的耐火時間，一般都在1h以上。預應力鋼筋混凝土結構，是一種新型結構，承載能力好，省材料，但耐火能力較差。滅

9、火時，要注意其變形（下?lián)希┑那闆r。 3、薄殼結構屋頂 薄殼適用于大面積的屋頂。其特點，主要是由于它所用的材料少。薄殼的跨度大，厚度小（鋼筋混凝土殼最少25mm，磚殼最少60mm)，薄殼周邊的支撐是靠兩側的樓板、基礎或剛拉桿。薄殼結構的倒塌是整片的，其原因主要是由于支撐的條件破壞。故起火時，應與時冷卻剛拉桿。只要支撐的條件不破壞，就完全有可能避免倒塌，因為殼體本身的耐火性能很高。 當薄殼結構的屋面起火，或者滅火時需要登上薄殼屋頂時，特別要注意，到屋頂上去的人數(shù)不能過多，人員要分散，不要集中，最好站在殼的中心，或兩側對稱于中心的位置上。 4、木結構 

10、;木構件遇火后，很快就被點著，在表面形成炭層。木材被燒焦的速度是和它的密度與含水率的大小直接練習的，木材燃燒的速度是隨著它的密度和含水率的增加而減少的。根據(jù)測試，木材向里燃燒速度的理論平均值為0.6mm/min ，質輕且干木材的燃燒速度的近似值是0.8mm/min，密質的濕木材燃燒速度的近似值是0.4mm/min。在實踐中我們可以利用這些數(shù)字來估計木構件被燃燒的程度。 5、墻與煙囪 磚的耐火性好，能經(jīng)得起高溫，而砌成墻壁以后，由于砌筑的質量和沙漿的耐火性能較差，磚墻的耐火性不如磚本身，但一般磚墻承受幾小時的火燒是沒問題的?？墒腔馂陌l(fā)生時，磚墻或煙囪也有發(fā)生倒塌的，

11、主要原因是： （1）框架破壞，框架填充墻也隨之破壞； （2）因為樓板塌落，或橫向墻被破壞，使縱向墻失去了橫向的支撐。 （3）受到意外的水平?jīng)_擊作用。 （4）空斗墻、空心磚的砌塊變形破壞，失去承載能力?；馂暮奢d是指在一個空間里所有物品包括建筑裝修材料在的總燃燒熱。而建筑物火災主要是建筑物的可燃結構、建筑物的可燃物品在燃燒。其火災荷載就是建筑物的可燃結構和建筑物的可燃物品的總潛熱能。建筑物發(fā)生火災后火勢的發(fā)展將受到建筑的幾何形狀、高度、空間、開口情況、構件的可燃程度、抗燃燒程度和建筑物火災荷載、空氣供給強度等各種因素的影響。其中火災荷載則決定著整個建筑物火災

12、的變化與大小。因為建筑物火災荷載如果為一公斤，那么它產(chǎn)生的熱量就相當于一公斤標準木材所產(chǎn)生的熱量，約為18840千焦。這么大的熱值會對建筑物的基礎、墻、柱、梁、樓板、屋頂、樓梯、門、窗、吊頂?shù)葮嫾斐蓸O大的威脅。對建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑構件的耐火極限也是一個巨大考驗。當火災荷載的熱值突破了建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑構件的耐火極限時，就會極易造成建筑物整體失去穩(wěn)定性而導致坍塌。     建筑物按結構大體分為五類：（一）易燃結構建筑。主要建筑構件以竹、木、草、油氈為主。（二）磚木結構建筑。以磚木為主要建筑構件的房屋，它在整個

13、建筑中占有很大比例。(三)磚混結構豎向承重構件采用磚墻或磚柱，水平承重構件采用鋼筋混凝土樓板、屋面板；（四）鋼結構建筑。以各種型鋼為主要承重構件的房屋，使用于大跨度廠房、庫歷史老照片不能說的秘密房、和高層建筑。（五）鋼筋混凝土結構建筑。以鋼筋混凝土為主要承重構件的房屋，鋼筋混凝土作柱、梁、樓板與屋頂?shù)瘸兄貥嫾u或其它輕質材料做墻體等圍護構件，使用圍很廣，在各類建筑中，占有很大比例。所有這些除第五類建筑為一級耐火等級建筑外，其余耐火等級均較低。隨著城市建設的不斷發(fā)展，舊城改造步伐的不斷加快，木結構和磚木結構的建筑越來越少，鋼筋混凝土結構的建筑越來越多，從分類中我們可以看出，鋼筋混凝土結構相對安

14、全，磚混結構和鋼結構相對較差，。許多垮塌都發(fā)生在磚混結構和鋼結構之中，震驚全國的“113”特大火災，發(fā)生坍塌的商住居民樓，就屬磚混結構。應作為防垮塌的重點認真加以對待。     改革開放以來，百業(yè)興旺，國基礎建設也進入了一個繁榮時期。隨著人們生活水平的提高，對居住條件的要求也越來越高，建筑的結構、形式、以與使用材料已日益多樣性。建筑物部的裝修越來越豪華，多采用大量的可燃材料進行裝飾，如可燃材料吊頂、塑料墻布、墻紙、落地窗簾等，房間鋪設大量的電線、電纜。室設大量的物品，如化纖地毯、壁毯、掛畫、床、沙發(fā)、桌椅等生活用品。這些材料多為高分子材料，在燃

15、燒過程中能釋放出大量的熱能和可燃氣體與有毒煙氣，能加快燃燒速度，使溫度迅速增高，火災荷載密度也急速加大。從火災荷載上看，一般來說，辦公樓、居民住宅樓（公寓樓、宿舍樓）火災荷載輕，賓館、飯店、娛樂場所、商場、市場、物資儲備倉庫等火災荷載重，特別是商場、市場、物資儲備倉庫等發(fā)生火災后，經(jīng)過一段時間的烈火高溫烘烤后都有發(fā)生坍塌的可能。經(jīng)驗認為，一般物質體積超過建筑容積的三分之一，建筑耐火等級在二級以下，發(fā)生火災后燃燒時間較長時，火場指揮員就應當考慮房屋坍塌的可能性和帶給現(xiàn)場滅火人員的危險性。      一般住宅樓的火災荷載密度約為3560公

16、斤/平方米。高級賓館達到4560公斤/平方米。這樣當火災發(fā)生時。由于火災荷載密度大，火勢燃燒猛烈，燃燒持續(xù)時間長，（根據(jù)實驗證明火災荷載密度為60公斤/平方米時，其持續(xù)燃燒時間為1。3小時，）所以溫度迅速升高，可燃物質受高溫作用迅速著火燃燒，溫度越升越高。在高溫作用下，木質構件表面炭化并受熱起火燃燒，木材受高溫作用發(fā)生炭化前，其力學特性不會有太大變化。但是，當有明火引燃時木材的著火溫度僅為240°C270°C，在400°C470°C下木材也能自燃。木材起火燃燒后，表面逐漸炭化，力學特性就會迅速受到破壞，如果剩余截面的面積不能承受原有全部荷載，削弱了荷載斷

17、面。承重力下降；結構就會倒塌。吊頂或木樓板燒穿后承重結構發(fā)生變化；一端時間就會造成樓板或天花板下沉。易燃結構建筑就會很快發(fā)生坍塌。    鋼結構受熱后，會產(chǎn)生塑性變形，它雖不燃燒，但是其高溫性能差，大量的試驗和火災案例表明鋼結構是不耐火的。無保護層的金屬構件在高溫作用下，力學性能會迅速發(fā)生變化，短時間其強度就會喪失，失去支撐或承重能力。無保護層的金屬構件，但溫度達到500度時，鋼材強度損失達50，承重能力就會下降到原來承重能力的一半，再繼續(xù)加熱，當溫度繼續(xù)升高至600度時既失去承重能力。其理論耐火時間僅為15分鐘左右便很快軟化，發(fā)生扭曲倒塌，而且破壞后的

18、鋼結構是無法修復重新使用的。1998年玉環(huán)家具城發(fā)生火災，就造成該建筑（鋼結構）整體倒塌。這時，由于建筑構件的自重和上面荷載物的作用，鋼構件就會發(fā)生扭曲、變形。導致建筑物坍塌。另外鋼結構建筑應力關系緊密，如網(wǎng)架結構，在發(fā)生火災時，當某一部分構件因失去承重能力坍塌破壞應力關系后。便會導致其他構件甚至整個結構變形坍塌。    磚石砌體材料主要用作豎直承重?；◢弾r因結構緊密、質地堅硬。一般作為建筑物的基礎和外墻，其部組織以石英、長石、云母為主。這些物質高溫或長時間受熱后性質發(fā)生變化，溫度超過500°C后，砌體強度會顯著降低、破碎而失去承重能力。火災荷

19、載密度大的建筑發(fā)生火災后，溫度可超過1000°C，砌體的向火面和背火面必然產(chǎn)生很大的溫度差，向火面溫度高、膨脹大，背火面溫度低、膨脹小。因此，在砌體部會產(chǎn)生很大的應力，而使砌體碎裂破壞。另一方面是碳酸鹽、硅酸鹽在高溫下會發(fā)生分解反應，使砌體破壞。    鋼筋混凝土受熱后，其抗壓強度會降低，失去承載能力。特別是預應力鋼筋混凝土結構，受熱后會失去預加應力，耐火性能反而不與普通鋼筋混凝土結構。導致混凝土各組成材料的熱膨脹系數(shù)不同，受熱溫度超過300°C時，組成鋼筋混凝土結構的水泥石脫水收縮，而骨料受熱膨脹，這種脹縮的不一致性，使混凝土中產(chǎn)生

20、很大的應力，不但破壞水泥石、骨料、配筋間的粘結，而且會把包裹在骨料與配筋周圍的水泥石撐破。導致混凝土與鋼筋剝離，破壞了兩者的結和力。這些都使構件的承重能力下降。根據(jù)以上觀點，我個人認為火災荷載密度的大小直接關系到火勢的猛烈程度，當火災荷載密度大時，火勢猛烈，升溫快、持續(xù)時間長。建（構）筑物倒塌事故隨時可能發(fā)生，且事故前兆很不明顯，允許人員逃生的時間極短，待人們察覺時，倒塌事故往往已經(jīng)造成了嚴重后果。尤其是大型鋼筋混凝土結構發(fā)生火災后坍塌的案例不多，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗借鑒，也缺乏相應的理論支持。從實際經(jīng)驗分析，從發(fā)生火災到坍塌的時間長短不一。相似的建筑，有的在熊熊大火中燃燒幾十小時沒有發(fā)生坍塌，有的僅幾小時就發(fā)生了坍塌。參考文獻1 侯遵澤,瑞. 基于層次分析方法的城市火災風險評估研究J. 火災科學, 2004,(04) . 2 華軍，梅寧，程曉舫. 城市火災危險性模糊綜合評估J. 火災科學, 1995,(01) . 3 波 ,程明. 建筑火災的防J. 消防, 2002,(12) . 4 吳啟鴻,萬才. 我國火災形勢的總體評價與火災防治對策J. 消防技術與產(chǎn)品信息, 2001,(08) . 5 伍萍. 世界部分國家和城市火災統(tǒng)計數(shù)據(jù)的比較(199