第 1 章 绪 论
1.1 引言
火是人类文明的象征，给人类带来了温暖，但火灾也是威胁人类生命和财产安全的灾害之一，相对于其他灾害来说，火灾又具有它的特殊性，火灾发生的频率居各种各种灾害之首而且破坏面较大。局部发生火灾时，可能引起整个建筑结构的使用功能瘫痪，如电力设施等，给人们的逃生带来很大的困难，而且火灾引起的浓烟给人们的身体健康和环境造成了严重的损害。目前由于设计规范的不完善和施工质量的不规范性等问题，建筑结构的一些关键承重构件的耐火极限很难满足现行规范的要求。因此，当结构发生大火时，受火区域构件承载力强度不断削弱，随着火灾的蔓延，受火初始损伤区域也不断增大，结构就很难避免由于高温作用发生局部破坏，甚至整体发生连续性倒塌破坏。结破坏。图 1.1 所示为近年来国内发生的几起较为严重的火灾事件。
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1.2 课题研究背景与意义
在各种灾害中，火灾发生最为平凡而且还是一种终极型灾害，任何其他灾害最后都可能导致火灾（地震、撞击、爆炸等）。目前，我国主要的结构防火规范有 GB50016-2006《建筑设计防火规范》和 GB50045-95《高层民用建筑设计防火规范》，这两本规范给出了钢结构、钢筋混凝土结构抗火设计方面的规定，其中 GB50016-2006《建筑设计防火规范》还提到了钢管混凝土结构的抗火设计方面的条文规定，但是其内容仅处于构件层次表面，即给出了构件的耐火极限等级和对应的耐火极限，对于节点和框架结构体系的整体耐火极限并未给出相应的规定。因此，目前我国的建筑结构防火规范也有一定的不完整性和相对滞后性。火灾下结构的竖向承重构件的耐火极限一般为 3h，但是真实的受火时间一般都大于 3h，超出了其耐火极限，由于局部构件发生损伤时，可能引起结构发生连续性倒塌破坏。例如衡阳火灾引起结构发生坍塌事件，造成 11 名官兵受伤，20 名官兵牺牲的重大事故，引起了强烈的社会反响。因此，以真实火灾案例为背景，有必要更一步开展钢筋混凝土结构的抗火性能研究，为该类的抗火设计提供一定的参考。
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第 2 章 火灾后钢筋混凝土结构受损程度的检测与鉴定
2.1 火灾概况
某 11 层钢筋混凝土框架剪力墙结构住宅楼，建筑设计使用年限为 50 年。位于某县城木耳路北侧，滨河路南侧，原畜牧局院内。地上 11 层，地下 1 层。1～2 层为商业网点，3～11 层均为普通住宅。地下室及 1 层层高为 3.9 米，2 层层高为 3.3 米，3～11 层层高为 2.9 米，地下室 1 层为丙 2 类库房，设备用房位于本小区 2#楼内。屋面为电梯机房，楼梯间。设备费位于本小区 2#楼内，屋面为电梯机房、楼梯间。地下耐火等级为一级，地上部分耐火等级为二级。建筑物抗震设防烈度为七度。建筑高度为 36.8 米，建筑面积为 8095.29 平方米。该建筑在 2015 年 4 月 8 日凌晨 2:05 左右四楼住户液化气罐爆炸发生火灾，经消防官兵努力奋战，约 4:00 火被扑灭，烧灼时间约 2 小时，在发生火灾的三单元四楼住户为藏餐吧，内部可燃物烧尽，建筑结构构件出现了不同程度的烧伤、裂缝和变形，为确定火灾后建筑结构的安全等级进行安全性检测与验算评估。
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2.2 现场调查与检测
为了分析确定该 11 层钢筋混凝土框架剪力墙结构住宅楼结构在火灾后其受损构件的破坏程度和承载能力损失，通过现场火灾作用调查，包括现场勘察残留物状况，了解火灾过程，调查结构外观损伤严重程度，最后根据构件表面及内部曾经达到的温度和结构损伤外观特征，依据中国工程建设标准化协会颁发的《火灾后建筑结构鉴定标准》规定对受损构件进行等级评定，同时参考结构验算结果判定火灾后的建筑结构实际承载能力及受损程度，以供结构损坏构件维修和加固提供依据。依据《火灾后建筑结构鉴定标准》条文中的规定，住宅楼结构发生火灾后，对火灾影响区域和可能发生的火灾损坏区域进行全面检测，即火场区域、高温烟气弥漫区域及不可忽略的温度应力作用区域进行检测，见图 2.3 所示。该次检测范围确定为发生火灾的三单元四楼两户和二单元四楼一户（三户打通，为餐饮娱乐为主的藏餐吧）为主，并受到波及的三单元四楼以上住户和二单元相邻住户的结构检测。结构构件承载能力的验算依据现场检测结果对整体结构进行，并结合检测结果对该结构火灾后的安全性进行综合评定。2015 年 4 月 8 日 2 时左右某住宅楼三单元四楼藏餐吧发生火灾并引起液化气罐爆炸，火势蔓延，整个餐吧区域（三单元四楼两户、二单元四楼一户，三户联通）内可燃物基本烧尽，烟气和火苗蔓延至五、六和七楼，窗户窗框烧坏或变形。经消防官兵努力灭火，终于凌晨 4 时左右大火全部扑灭，由于火势蔓延以及灭火喷水影响，相邻二单元几个住户结构出现漏水及裂缝。受火区域燃烧后的情景如图 2.4 所示。
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第 3 章 火灾作用对钢筋混凝土材料特性及力学性能的影响分析.......28
3.1 概述......28
3.2 材料的热工性能......28
3.3 材料热-力本构模型的选取......... 34
3.3.1 钢材热力本构模型...........34
3.3.2 混凝土热力本构模型.......39
3.4 材料本构模型验证............43
3.5 本章小结........46
第 4 章 火灾后钢筋混凝土结构力学性能分析.........47
4.1 概述......47
4.2 火灾模型.........47
4.3 温度场算例分析.......48
4.4 火灾下钢筋混凝土构件抗火性能计算..........52
4.4.1 钢筋混凝土受火柱耐火极限的计算与分析...........52
4.4.2 钢筋混凝土受火梁抗火性能的计算与分析...........59
4.5 火灾后钢筋混凝土构件受火性能评价..........62
4.6 本章小结.........63
第 4 章 火灾后钢筋混凝土结构力学性能分析
4.1 概述
由第二章钢筋混凝土框架真实受火现场检测与分析可知，该结构在第四层发生火灾，通过现场的检测与分析，发现钢筋混凝土楼板、钢筋混凝土梁柱等主要受力构件均由于火灾作用有不同程度的损伤和破坏，其中部分钢筋混凝土梁和钢筋混凝土柱的鉴定等级为三级，根据现在规范需要进行火灾后的承载力评估与相应的加固处理。本章选取受火破坏最为严重的钢筋混凝土梁（编号KL27）和钢筋混凝土柱（编号Z9）进行有限元分析，进行温度场计算和受火力学性能计算。由第二章钢筋混凝土框架真实受火现场检测与分析可知，该结构在第四层发生火灾，通过现场的检测与分析，发现钢筋混凝土楼板、钢筋混凝土梁柱等主要受力构件均由于火灾作用有不同程度的损伤和破坏，其中部分钢筋混凝土梁和钢筋混凝土柱的鉴定等级为三级，根据现在规范需要进行火灾后的承载力评估与相应的加固处理。本章选取受火损伤最严重的钢筋混凝土柱（编号 Z9），截面尺寸为 500mm×500mm×2900mm，混
凝土强度等级为 C30，钢筋强度等级为 Q345，纵向受力钢筋选用 16Ф20，箍筋选取?8@100/200。图 4.2 给出了不同升温时刻钢筋混凝土跨中截面的温度分布示意。可以看出，混凝土截面的温度呈现出同心曲面分布的规律，钢筋混凝土外面温度高，升温 180min 时历史最高温度达到 1104℃，内部混凝土温度相对较低，为 110℃左右。
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结论
本文主要开展某钢筋混凝土结构的火灾后力学性能分析与评价，主要包括以下几个方面的结论：
（1）通过对某住宅钢筋混凝土剪力墙结构局部第四层发生火灾后的现场调查与检测情况，根据现有的规程对该结构火灾后的安全性等级进行了评定，并根据构件火灾损伤程度，针对受火损伤较为严重的构件，提出了相应的加固措施。
（2）在合理选取钢材和混凝土的热力本构模型的基础上，进行了钢筋混凝土梁和钢筋混凝土柱的温度场计算，提出了构件的温度-时间关系曲线，发现钢筋混凝土构件表面温度与 IOS-834 基本一致，核心混凝土升温相对滞后，体现了混凝土的热惰性。
（3）在温度场计算的基础上，进行了钢筋混凝土柱耐火性能的有限元分析，计算了钢筋混凝土柱顶轴压位移-时间关系曲线，整个曲线分为三个阶段：受火膨胀阶段，轴压压缩阶段和破坏阶段。通过对钢筋混凝土梁火灾后力学性能计算发现，火灾作用使得钢材和混凝土的材性劣化，使得承载力极限值相对与常温阶段有不同程度的损伤。
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参考文献(略)