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1、已有建筑物受火灾后的特性及其 抗力鉴定和对策,一、概述 二、火灾随时间的演化过程 三、 Tei - Ti曲线及特征量的确定 四、火灾对材料特性的影响 五、火灾对结构物的影响 六、受火灾程度的鉴定方法 七、修补方法,已有建筑物受火灾后的特性及抗力鉴定及对策,一、概述 1学习目的：培养博士生具有坚实宽广的理论基础与系统深入的专门知识，培养认识火灾和解决火灾问题的能力。 博士生有流体和固体，但都需学习，目的是：1）达到博大精深 ；2）都可能遇到； 3）损失严重， 80年统计美国62.5亿美元，英国4.69亿英镑；93年中国11.2亿元；94年阜新、克拉玛 依、夏宫；97年大连；2001年美国9.11
2、。 2学习内容： 认识火灾问题： 1）火灾随时间演化的过程；确定火灾温度； 2）各种建筑材料受到火灾后的特性； 3）各种结构受到火灾后的特性。 解决火灾问题： 1）建筑的受害程度的鉴定方法和评价； 2）建筑物受火灾后的加固补强措施。 参考文献：建筑工程事故处理与预防；已有建筑物的抗力鉴定及对策； 建筑防火设计；混凝土结构：修补，防水与防护,二、火灾随时间的演化过程 1不同结构抗火灾的能力： 1）木结构和一般钢结构：抗火灾的能力相当小，一旦遭到火灾，如在初期阶段消防灭火不是相当迅速，建筑物就有可能完全被烧光或倒塌。火灾持续的时间很短。(见照片) 2）钢筋混凝土类结构：属于耐火结构，抗火灾的能力相
3、当高，即使遇到了火灾，建筑物在短时间内也不会燃烧，而且受热后变形较小。火灾后虽然墙壁和天棚的混凝土被熏黑并发生变色，结构局部也被烧伤，但整个建筑物几乎还是处于火灾前的样子。但根据火灾持续的时间和火灾的规模及灾情的不同，也就是火灾温度的不同，建筑物会受到不同程度的损坏。 2火灾随时间演化的过程，可用时间Ti与火灾温度Tei的关系曲线来描 述。 1）对于混凝土或钢筋混凝土一类耐火结构：火灾时间Ti与火灾温度Tei的关系曲线可分为三个阶段三个时期，成长期、旺盛期、衰减期，如图1。 成长期：在某一空间的可燃性物质中着小火时，首先消耗室内的氧气，进而产生烟和燃烧气体，使燃烧范围扩大，这个阶段称为火灾的成
4、长期。室内温度逐渐上升，可见烟。 旺盛期：随着燃烧范围的扩大，室内温度慢慢上升的同时，因窗玻璃的破损和门户的开放使空气大量流入，加之停留在天棚上面的可燃气体着火，于是火灾温度急剧上升。同时没有燃烧的室内可燃物也开始燃烧，使火焰和黑烟从开口处喷出，这个时期称作火灾的旺盛期，温度达到10000C，可见火光。,衰减期：火灾温度随着时间的增长而逐渐增加，直到室内可燃物全部烧尽为止，即经过最高温度所示的旺盛期后火灾温度慢慢下降，这个阶段称作火灾的衰减期。可见余烟。 2）对于木结构建筑：因为墙壁和天棚都由可燃性材料构成，缝隙也多，火苗会自然地不断扩大，向天棚、屋顶发展，所以这类结构的火灾时间Ti与火灾温度
5、Tei的关系与耐火结构不同，着火约10分钟后就达到旺盛期，且旺盛期很短，很快进入衰减期，如图2。,三、Tei- Ti曲线及特征量的确定： 上述燃烧过程中，Tei- Ti关系线如何确定，特别是Tei- Ti关系曲线上的特征量的确定。其中我们最关心的是火灾的燃烧时间Ti和对应Ti的火灾温度Tei，以便根据火灾持续时间和温度决定火灾对建筑材料和结构的影响，来确定建筑材料和建筑结构的受损程度及补强措施，所以下面介绍这两个特征量的确定方法： 火灾的燃烧时间Ti可按下式计算： （1） 式中W为室内可燃物重量（kg）;R为燃烧速度，日本川越博士多次进行了实际建筑物及其模型的火灾试验，建议了一个被世界各国所应
6、用的公式： （2） A为窗口或门的开口面积（m2），H为开口处的高度（m）。由（1），（2）式可见，可燃物的数量越多，房屋的开口处又小又低，则火灾的持续时间越长。R的单位为kg/min 火灾的温度与时间关系是非线性的，所以为了求对应某一燃烧时间Ti+1的温度Tei+1，需用迭加法，由前一时刻Ti时的温度Tei加上时间增量ti这一微小时段的温度升高量，可得Ti+1时刻的火灾温度Tei+1为： （3）,式中Tei+1为当前的火灾温度（0C），即为时间Ti经过增量时间ti后的火灾温度；Tei为时间Ti时的火灾温度（0C）；q为可燃物质的发热量（百万卡/ kg），如木材q=百万卡/kg，可查表求；Qw
7、为壁的吸热量（卡）；QB为由开口处向外面的幅射热（卡）；QL为喷出火燃带走的热量（卡）；V为火灾房间的容积（m3）；Cp为气体比热（卡/标准立方米.度）。 式（3）是怎样得来的呢？是根据热平衡条件得出。热平衡方程为（图3）： (4) 式中QH为单位时间内在火灾室内的总发热量，QH=qR=（百万卡/kg.）(kg/min)=（百万卡/min），QR为提高空气温度的热量（卡）（指提高室内温度的热量）。,图3.室内火灾的热平衡图,QW QB QL,QH,QR,=卡min（5） 将QH，QR 的表达式代入热平衡方程式（4），就得（3）式。 由式（3），利用计算机逐次计算，就能求出火灾的温度Tei+1，
8、当然计算较繁，也可作成图表查。 如果想知道楼板、墙壁等内部的火灾温度时，可按图4的计算程序框图，用计算机逐项进行计算。由此可见，如果建筑物的可燃物质数量能够预测，且有了Ti Tei模型，那么火灾的持续时间和火灾温度就能概略地推定出来。但建筑物内的可燃物质为多种，如木材、纸、布、塑料等，计算时一般采用把在实际火灾区内存在的可燃物质折算成同等发热量的等价木材重量，称为该物质的可燃物数量。可燃物数量表示为： (6) 式中q为可燃物数量（kg/m2）；qi为第i种可燃物的单位发热量（卡/kg）；wi为第i种可燃物的重量（kg）；qw为木材的单位发热量（卡/kg）；A为火灾区的面积（m2） 现代建筑物内
9、的可燃物数量到底有多少，最近由于内装修向不燃化发展，在耐火建筑物中，天棚和墙壁很少采用可燃性材料，关于室内可燃物量有标准规程，日本、捷克等（可燃物量kg/m2，发热量qi均可查表）。,图4.火灾时间-温度曲线计算程序,墙体任一点的温度Tcj 式中：Tcj计算点受热温度()； Ti室内空气温度(); Te室外空气温度(); Rtot抹面层、隔热层、砖、钢筋混凝土等总热阻(m2 K/W)； Ri第i层热阻(m2 K/W)。 平壁法： 式中:Rin内表面的热阻(m2 K/W)； 1抹面层的导热系数W/(m K); n第n层的导热系数W/(m K); t1 抹面层厚度(m)； tn 第n层的厚度(m)
10、； in内表面传热系数W/(m2 K)； ex外表面传热系数W/(m2 K)； Rex外表面的热阻(m2 K/W)。,当r2/r11.1时，可采用平壁法， 当r2/r11.1时，应采用环壁法。,国际标准化组织（ISO）834规定了标准加温曲线（现场及试验室试验）用以表达现场火灾发展情况。 Te-Te0=345log(8t+1) Te0 初始温度，如20 ； Te 对应t时的温度（ ）； t升温时间（min）。 通过上述分析，可得出火灾引起楼板或墙壁的火灾温度，我们更为关心的是在这种温度下材料或结构抗力的变化，所以下面我们就研究火灾后材料和结构的抗力的变化。,四、火灾对材料特性的影响 1混凝土
11、1）由于火灾引起的高温，使混凝土中的水泥石和骨料产生不同的膨胀和收缩，由于约束作用而产生温度应力，使之出现裂缝。混凝土中为花岗岩骨料5500C热裂，石灰岩骨料7000C 热裂。 2）因受热后，水泥水化物和骨料自身品质劣化，其强度和弹模比受灾前降低。下降程度与原材料的种类、配合比和令期等有关。总的规律为：在3000C以下抗压强度无明显变化；在超过5000C，下降50%；弹模下降也约为50%，如 ：图5；图6。在火灾后经过一段时间；受热产生的强度和弹模下降又有所恢复，如：图7；图8。如果在5000C以内，可以恢复到能耐用的程度，而弹模虽有恢复，但恢复程度很少，一般总有残余变形。,fcuT=fcu/
12、1+2.4(T-20)610-17 200CT9000C fcuT=fcu/1+1.183(T-20)7.110-20 200CT9000C fcuT=fcu/1+3.3(T-20)5.510-16 200CT9000C fcuT=fcu/1+1.7(T-20)610-17 200CT10000C ftT=(1-0.001T)ft 200CT10000C 式中fcuT、fcu 分别为T 0C和20 0C温度下的混凝土立方体抗压强度；ftT、ft 分别为T0C和20 0C温度下的混凝土轴心抗拉强度。 E0T/E0=0.83-0.0011T 200CT7000C 式中E0T、E0分别为T0C和20
13、 0C温度下的混凝土弹性模量。 3）由于火灾温度沿构件的深度方向由表及里逐渐下降，而产生温度梯度，当温度梯度大时混凝土不仅产生裂缝，而且伴随有所谓爆裂的现象。 4）当混凝土加热到500-5800C时，因混凝土中的游离碱成分即氢氧化钙受热分解，碱性降低，防止钢筋锈蚀能力下降，影响到钢筋混凝土结构的耐久性。 5）受火灾后，混凝土表面的颜色将发生变化。混凝土的灼热温度在3000C以内时，混凝土表面附着有黑烟；当超过3000C以后混凝土会变质变色。普通骨料的混凝土在300-6000C时为粉红色，600-9500C时为灰白色，950-12000C为淡黄色，而大于12000C时就熔融了。由此可推算火灾温度
14、和混凝土的受灾程度。为了分析比较，也要注意没有受到火灾处的混凝土颜色。,2钢材 钢材耐火性较差，在高温下屈服强度和弹性模量均显著降低，如：图9；图10，为各种钢筋高温时的强度。由图9、图10可见，由于钢材种类不同，其下降程度不同。 澳大利亚规范AS4100 fyT/fy=1 00C2150C fyT/fy=(905-Ts )/690 2150C9050C ET/E=1+ Ts/（2000ln(Ts/1100) ） 20-6000C ET/E= (6900.69Ts)/(Ts53.5) 600-10000C ECCS(European Convention for Constructional
15、Steelwork) fyT/fy=1+Ts/(767ln(Ts/1750) ） 0-6000C fyT/fy=108(1-Ts/1000)/(Ts- 440) 6000CTs10000C ET/E=-17.210-12Ts4+11.810-9Ts3-34.510-7Ts2+15.910-5Ts+1 00C6000C 与混凝土一样，受火灾后一段时间，钢材的强度和变形能恢复，一般认为在6000C之内，即不超过钢材的变态点温度（720-7330C），就认为是安全的，强度和变形能恢复到火灾前的状态，可再次使用，受热后的强度恢复如：图11。但如果超过变态点受热的钢材，则如：图12，由图可见-曲线中的屈
16、服点不明确了，强度也有所下降，给再次使用带来困难，所以钢材受火灾的判定以6000C为依据。,3有色金属（铝、锌、铜、黄铜） 建筑上所用各种有色金属不能自燃，但根据火灾的规模，会出现强度降低，变形和熔化等情况，如铝窗框在6500C就熔化，窗玻璃脱落；水道配管类所用的锌和铅在300-4000C时就软化了；铜导线和门把手所用黄铜具有一定耐热性，到9000C时还没有熔化。 4油漆 一般涂在钢材上的油漆受热不到1000C时则只产生黑烟，并不受到损伤。100-3000C可产生裂缝和脱皮现象。但防锈漆一直到3000C能维持完好的状态，但到300-6000C时，也开始变色，发黑脱落。当超过6000C后除防火涂料外，均被烧光。 5塑料 塑料可分为热可塑性树酯和热硬化树酯两大类。 应特别注意因灭火时大量用水产生二次性灾害-水灾。,
