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火灾建筑结构火灾荷载高层

【引言】

随着经济的发展，高层建筑逐步增多，火灾荷载和不安全因素也随之增加。

如果因火灾而造成高层建筑倒塌，必将给救人和灭火带来更大的困难，给担负抢险救援任务的消防队员提出更高的要求和挑战。

据调查，美国“9.11”纽约世贸中心倒塌的原因在于大火熔化了支撑钢筋，而不是飞机的直接撞击。

因此，在扑救建筑火灾时，要充分考虑建筑的倒塌问题。

在美国“9.11”纽约世贸中心爆炸现场灭火的300多名消防人员主要就是因建筑倒塌而丧生。

在我国，近年来由于在灭火中因建筑结构破坏、倒塌而造成消防人员伤亡的事故也曾发生。

因此，加强建筑结构破坏、倒塌特点和规律的研究探讨，制定切实可行的灭火救援预案，无疑对减少人员伤亡和财产损失具有非常重大的意义。

【正文】

一、火灾条件下建筑结构倒塌的原因。

建筑物中建筑构件名目较多，近年来随着一些新材料、新工艺、新技术在建筑领域中的广泛应用，建筑构件的性能也变得越来越复杂，燃烧破坏的特点也趋于多样性。

不同建筑构件均具有自身的燃烧性能和耐火极限。

火灾条件下，随着建筑材料和构件的燃烧和破坏，整个建筑结构也必然受到一定的影响，直至遭到局部的破坏或整个的倒塌。

结构的倒塌与破坏，是由燃烧和高温条件造成的，倒塌和破坏的原因主要有以下几个方面：

（1）预应力钢筋混凝土结构遇热，失去预加应力，从而降低结构的承载能力。

（2）砖石砌体受热变形开裂。

花岗岩因内部石英、长石、云母不同的热变形而碎裂。

硅酸盐砌块也因内部的热分散而松散。

（3）钢结构受热变形破坏。

钢结构受热后，很快出现塑性变形，在火烧15-20min 

左右，杠件变成“面条”一样，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是无法修复重新使用的。

（4）木结构表面被烧蚀，削弱了荷重的断面。

木材起火燃烧，表面炭化，如果剩余截面的面积仍能承受原有全部荷重，结构是不会倒塌的。

特别是消防队及时到达火场在扑救火灾时，构件外表面的炭层吸收大量的水，对结构来说，还是一个很好的保护层。

所以大断面比较有利。

在加热炉中实验时，可以看到，预应力钢筋混凝土构件，在受热数小时后，便出现较大的变形。

显然，这是因为主拉钢筋伸长的结果。

所以预应力钢筋混凝土结构在耐火方面的性能，是不如普通钢筋混凝土结构的，必须加厚钢筋保护层的厚度。

（5）高温下建筑材料的力学性能改变，强度随着温度升高而降低，以及火灾条件下结构产生的热应力，在目前的结构计算中还没有考虑到。

（6）建筑物内部爆炸的冲击和震动，常是摧毁建筑物的一种主要原因。

建筑结构的抗爆计算，因冲击波的力量较大，而需与防爆泄压设施同时考虑。

（7）上部结构倒塌落在楼板上，或灭火积水不能排除，或楼板上的物资大量吸收灭火

水流，大大地增加了楼板的荷重，使楼板因大量超载而塌落。

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（8）灭火射水落在高温的砖石、混凝土或钢筋混凝土结构表面，由于突然的冷却造成结构表面因收缩开裂，表皮剥落。

特别关键的是破坏了钢筋混凝土结构的保护层，在火未熄灭前，使火直接烧到主拉钢筋，钢筋立即失去强度，而使整个结构破坏。

二、火灾条件下建筑结构破坏的一般规律。

火灾条件下建筑结构的倒塌破坏，往往使室内通风更加良好，加速室内的燃烧，并且会破坏防火分隔物，使火势得以扩大蔓延，为正确实施灭火救人及自救带来极大的困难。

因此，掌握建筑倒塌的一般规律，对消防人员来说，是非常必要的。

一般说，结构倒塌有以下规律：

（1）木结构屋顶，整个倒塌的少，局部破坏的多。

钢结构屋顶，局部被火烧毁，其余部分往往被烧的部分塌落，也同时由墙头拉到地面上来。

（2）吊顶、屋架、木楼板、空心墙、泥土墙，易燃建筑等，都是易于倒塌破坏的。

（3）土坯墙是耐火不燃的，但由于消防射流的强力冲击，也会遭到破坏。

（4）倒塌的次序，一般是先吊顶，后屋顶，最后是墙壁。

（5）一般房屋的墙是向里倒的。

三、火灾条件下几种常见结构破坏的具体情况及一般应对方法

1、钢结构屋顶 

钢的耐火性差。

温度在450-500℃时，承载能力便大大减弱。

温度再高，钢材变软，变形显著，屋架翘曲，屋顶随着就会塌落，经过的时间很短，一般在10-20min左右。

由于钢结构屋顶空间工作的条件，在屋架之间联结了很多的支撑杆件，因而也就决定了，钢结构屋顶的破坏是整体的，或者是较大部分的，很少是局部的。

在钢结构屋顶建筑物内起火时，要防止火直接烧到屋架，但也不要对温度很高的钢结构进行骤然的冷却，因为这些都是加速屋顶塌落的重要原因。

使用喷雾水流，或使用直流水枪，对着屋面板射水，借以冷却屋架上弦，在火灾初期是有效的。

可以把结构保存下来，不会遭到严重破坏。

但灭火人员在扑救时，一定要隐蔽在不会因屋顶倒塌而伤人的安全地点。

2、钢筋混凝土构件

混凝土是耐火的。

对灭火来说，它是比较安全可靠的。

普通钢筋混凝土结构的耐火时间，一般都在1h以上。

预应力钢筋混凝土结构，是一种新型结构，承载能力好，省材料，但耐火能力较差。

灭火时，要注意其变形（下挠）的情况。

3、薄壳结构屋顶

薄壳适用于大面积的屋顶。

其特点，主要是由于它所用的材料少。

薄壳的跨度大，厚度小（钢筋混凝土壳最少25mm，砖壳最少60mm），薄壳周边的支撑是靠两侧的楼板、基础或刚拉杆。

薄壳结构的倒塌是整片的，其原因主要是由于支撑的条件破坏。

故起火时，应及时冷却刚拉杆。

只要支撑的条件不破坏，就完全有可能避免倒塌，因为壳体本身的耐火性能很高。

当薄壳结构的屋面起火，或者灭火时需要登上薄壳屋顶时，特别要注意，到屋顶上去的人数不能过多，人员要分散，不要集中，最好站在壳的中心，或两侧对称于中心的位置上。

4、木结构

木构件遇火后，很快就被点着，在表面形成炭层。

木材被烧焦的速度是和它的密度及含水率的大小直接练习的，木材燃烧的速度是随着它的密度和含水率的增加而减少的。

根据测试，木材向内里燃烧速度的理论平均值为0.6mm/min 

，质轻且干木材的燃烧速度的近似值是0.8mm/min，密质的湿木材燃烧速度的近似值是0.4mm/min。

在实践中我们可以利用这些数字来估计木构件被燃烧的程度。

5、墙与烟囱

砖的耐火性好，能经得起高温，而砌成墙壁以后，由于砌筑的质量和沙浆的耐火性能较差，砖墙的耐火性不如砖本身，但一般砖墙承受几小时的火烧是没问题的。

可是火灾发生时，砖墙或烟囱也有发生倒塌的，主要原因是：

（1）框架破坏，框架填充墙也随之破坏；

（2）因为楼板塌落，或横向墙被破坏，使纵向墙失去了横向的支撑。

（3）受到意外的水平冲击作用。

（4）空斗墙、空心砖的砌块变形破坏，失去承载能力。

火灾荷载是指在一个空间里所有物品包括建筑装修材料在内的总燃烧热。

而建筑物火灾主要是建筑物的可燃结构、建筑物内的可燃物品在燃烧。

其火灾荷载就是建筑物的可燃结构和建筑物内的可燃物品的总潜热能。

建筑物内发生火灾后火势的发展将受到建筑的几何形状、高度、空间、开口情况、构件的可燃程度、抗燃烧程度和建筑物内火灾荷载、空气供给强度等各种因素的影响。

其中火灾荷载则决定着整个建筑物火灾的变化与大小。

因为建筑物火灾荷载如果为一公斤，那么它产生的热量就相当于一公斤标准木材所产生的热量，约为18840千焦。

这么大的热值会对建筑物的基础、墙、柱、梁、楼板、屋顶、楼梯、门、窗、吊顶等构件造成极大的威胁。

对建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑构件的耐火极限也是一个巨大考验。

当火灾荷载的热值突破了建筑物的建筑材料的耐火性能和主要建筑构件的耐火极限时，就会极易造成建筑物整体失去稳定性而导致坍塌。

建筑物按结构大体分为五类：

（一）易燃结构建筑。

主要建筑构件以竹、木、草、油毡为主。

（二）砖木结构建筑。

以砖木为主要建筑构件的房屋，它在整个建筑中占有很大比例。

（三）砖混结构——竖向承重构件采用砖墙或砖柱，水平承重构件采用钢筋混凝土楼板、屋面板；

（四）钢结构建筑。

以各种型钢为主要承重构件的房屋，使用于大跨度厂房、库历史老照片不能说的秘密房、和高层建筑。

（五）钢筋混凝土结构建筑。

以钢筋混凝土为主要承重构件的房屋，钢筋混凝土作柱、梁、楼板及屋顶等承重构件，砖或其它轻质材料做墙体等围护构件，使用范围很广，在各类建筑中，占有很大比例。

所有这些除第五类建筑为一级耐火等级建筑外，其余耐火等级均较低。

随着城市建设的不断发展，旧城改造步伐的不断加快，木结构和砖木结构的建筑越来越少，钢筋混凝土结构的建筑越来越多，从分类中我们可以看出，钢筋混凝土结构相对安全，砖混结构和钢结构相对较差，。

许多垮塌都发生在砖混结构和钢结构之中，震惊全国的湖南衡阳“11〃3”特大火灾，发生坍塌的商住居民楼，就属砖混结构。

应作为防垮塌的重点认真加以对待。

改革开放以来，百业兴旺，国内基础建设也进入了一个繁荣时期。

随着人们生活水平的提高，对居住条件的要求也越来越高，建筑的结构、形式、以及使用材料已日益多样性。

建筑物内部的装修越来越豪华，多采用大量的可燃材料进行装饰，如可燃材料吊顶、塑料墙布、墙纸、落地窗帘等，房间内铺设大量的电线、电缆。

室内陈设大量的物品，如化纤地毯、壁毯、挂画、床、沙发、桌椅等生活用品。

这些材料多为高分子材料，在燃烧过程中能释放出大量的热能和可燃气体及有毒烟气，能加快燃烧速度，使温度迅速增高，火灾荷载密度也急速加大。

从火灾荷载上看，一般来说，办公楼、居民住宅楼（公寓楼、宿舍楼）火灾荷载轻，宾馆、饭店、娱乐场所、商场、市场、物资储备仓库等火灾荷载重，特别是商场、市场、物资储备仓库等发生火灾后，经过一段时间的烈火高温烘烤后都有发生坍塌的可能。

经验认为，一般物质体积超过建筑容积的三分之一，建筑耐火等级在二级以下，发生火灾后燃烧时间较长时，火场指挥员就应当考虑房屋坍塌的可能性和带给现场灭火人员的危险性。

一般住宅楼的火灾荷载密度约为35—60公斤/平方米。

高级宾馆达到45—60公斤/平方米。

这样当火灾发生时。

由于火灾荷载密度大，火势燃烧猛烈，燃烧持续时间长，（根据实验证明火灾荷载密度为60公斤/平方米时，其持续燃烧时间为1。

3小时，）所以温度迅速升高，可燃物质受高温作用迅速着火燃烧，温度越升越高。

在高温作用下，木质构件表面炭化并受热起火燃烧，木材受高温作用发生炭化前，其力学特性不会有太大变化。

但是，当有明火引燃时木材的着火温度仅为240°

C——270°

C，在400°

C——470°

C下木材也能自燃。

木材起火燃烧后，表面逐渐炭化，力学特性就会迅速受到破坏，如果剩余截面的面积不能承受原有全部荷载，削弱了荷载断面。

承重力下降；

结构就会倒塌。

吊顶或木楼板烧穿后承重结构发生变化；

一端时间内就会造成楼板或天花板下沉。

易燃结构建筑就会很快发生坍塌。

钢结构受热后，会产生塑性变形，它虽不燃烧，但是其高温性能差，大量的试验和火灾案例表明钢结构是不耐火的。

无保护层的金属构件在高温作用下，力学性能会迅速发生变化，短时间其强度就会丧失，失去支撑或承重能力。

无保护层的金属构件，但温度达到500度时，钢材强度损失达50％，承重能力就会下降到原来承重能力的一半，再继续加热，当温度继续升高至600度时既失去承重能力。

其理论耐火时间仅为15分钟左右便很快软化，发生扭曲倒塌，而且破坏后的钢结构是无法修复重新使用的。

1998年北京玉环家具城发生火灾，就造成该建筑（钢结构）整体倒塌。

这时，由于建筑构件的自重和上面荷载物的作用，钢构件就会发生扭曲、变形。

导致建筑物坍塌。

另外钢结构建筑应力关系紧密，如网架结构，在发生火灾时，当某一部分构件因失去承重能力坍塌破坏应力关系后。

便会导致其他构件甚至整个结构变形坍塌。

砖石砌体材料主要用作竖直承重。

花岗岩因结构紧密、质地坚硬。

一般作为建筑物的基础和外墙，其内部组织以石英、长石、云母为主。

这些物质高温或长时间受热后性质发生变化，温度超过500°

C后，砌体强度会显著降低、破碎而失去承重能力。

火灾荷载密度大的建筑发生火灾后，温度可超过1000°

C，砌体的向火面和背火面必然产生很大的温度差，向火面温度高、膨胀大，背火面温度低、膨胀小。

因此，在砌体内部会产生很大的内应力，而使砌体碎裂破坏。

另一方面是碳酸盐、硅酸盐在高温下会发生分解反应，使砌体破坏。

钢筋混凝土受热后，其抗压强度会降低，失去承载能力。

特别是预应力钢筋混凝土结构，受热后会失去预加应力，耐火性能反而不及普通钢筋混凝土结构。

导致混凝土各组成材料的热膨胀系数不同，受热温度超过300°

C时，组成钢筋混凝土结构的水泥石脱水收缩，而骨料受热膨胀，这种胀缩的不一致性，使混凝土中产生很大的内应力，不但破坏水泥石、骨料、配筋间的粘结，而且会把包裹在骨料与配筋周围的水泥石撑破。

导致混凝土与钢筋剥离，破坏了两者的结和力。

这些都使构件的承重能力下降。

根据以上观点，我个人认为火灾荷载密度的大小直接关系到火势的猛烈程度，当火灾荷载密度大时，火势猛烈，升温快、持续时间长。

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