某工程火灾后结构安全分析

韦永斌 林 冰 白晨光

（中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300）

某工程火灾后结构安全分析

韦永斌 林 冰 白晨光

（中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300）

本文根据某污水处理厂蛋形消化池火灾过程，建立热传导数学模型。对火场持续时间、火场温度、混凝土的热容、混凝土的热导率、大气温度、混凝土表面热交换强度等参量进行合理取值，进行计算分析，得到不同深度、不同时刻混凝土的温度场。根据混凝土、钢筋和预应力钢绞线在不同持荷条件下的化学稳定性、热力学特性，实现蛋形消化池钢筋混凝土预应力结构的火灾损伤定量分析，为蛋形消化池的火灾结构安全鉴定提供理论依据。

火灾；灾后评估；数值计算；结构安全

1 工程及火灾概况

1.1 工程概况

蛋形消化池是污水处理厂污泥消化处理的重要构筑物。该工程由四座卵形消化池通过管廊、天桥相连，并与污泥控制室形成一个整体，四座卵形消化池结构形式完全一样，池内净高43.595m，地面以上高26.995m，埋深17.60m，卵形体最大内直径24.8m，池壁砼为C40，厚从600mm渐变至400mm。外形为三维曲面体。池体内壁采用高温涂料防腐，外壁采用发泡聚氨酯保温，外挂铝塑板。地基为天然中风化岩地基。

池体为双向有粘结预应力砼结构，有粘结预应力筋采用7Ф5钢铰线，环向筋距离池壁外表面110mm；竖向布置在1／2池壁厚度处。非预应力筋构造配筋，为双向双层钢筋网，保护层厚度35mm。

1.2 火灾情况

该污水处理厂的1号蛋形消化池发生火灾，过火面积（如图1所示）约为500m2，约占体表面积的40%。该工程发生火灾后，需要进行火灾损伤鉴定，以确定工程火灾后的处理方案。为了从理论上确定火灾对蛋形消化池结构的影响程度，本文对蛋形消化池池壁砼所受火灾损伤进行数值计算分析。

图1 蛋形消化池的过火照片

2 火灾损伤分析思路

该工程的蛋形消化池池体属于轴旋转壳体薄壳预应力混凝土结构，曲面半径大，火灾对池体的烘烤接触面为池体的表面。因此，对该工程的火灾分析可以采用热传导方程进行温度场计算，然后根据温度场的计算结果，根据不同部位的材料热力学特性，对相应部位的材料组织损伤程度、有效预应力参数等进行定量评价。同时，对池体进行材料力学性能的原位检测和池体的满水、闭气满负荷试验，确定池体结构的火灾损伤后的使用功能。最终，通过理论分析和原位检验，实现该工程蛋形消化池的火灾综合定量评价。

3 火灾数值计算

蛋形消化池的池壁结构剖面简图如图2所示：

图2 蛋形消化池池壁剖面简图

3.1 热传导方程

根据热传导理论，该蛋形消化池的火灾热影响可以通过热扩散方程（1）和其边界条件（2）和（3）表述。

热传导方程为：

边界条件1：

其中：

t＝0时，混凝土温度为T0。

边界条件2：

其中：

当t＞0时，（x、y、z）为火烤混凝土表面坐标点，T为空气温度，T0为表面混凝土的温度，a为表面热交换强度，Q（x，y，z，t）为热流强度。

3.2 简化热传导方程

由于池壁曲面半径大于池壁厚度20倍，以上方程可简化为一维热传导方程（4）及其边界条件（5）和（6）。

边界条件1：

其中：

t＝0时，混凝土的温度为T0。

边界条件2：

其中：t＞0时，T为空气温度，T0为表面混凝土的温度，a为表面热交换强度，Q（0，t）为热流强度。

在（1）至（6）中：

T为点坐标（x，t）处的温度值

ρ为介质体密度

c为介质热容

λc为介质热导率

3.3 数值计算程序

考虑到温度对材料性能的影响，简化的火灾热传导方程（4）为变系数偏微分方程，很难求得解析解。因此，本文在微软VS2008软件开发平台上，根据简化的热传导方程（4）及相应的边界条件（5）、和（6），采用有限差分法编制火灾数值计算程序。程序界面如图3－图5所示：

图3 火灾热传导计算参数输入界面

图4 不同深度温度分布曲线

图5 某点处温度随时间变化曲线

3.4 计算参数取值

应用该程序对工程火灾的温度场进行数值计算，计算参数取值如下：

（1）计算点过火时间

蛋形消化池的过火高度为242－215＝27m，过火时间历时35min，平均局部过火速度为0.77m／min，火焰高度2m，局部过火时间为2／0.77＝2.8min，按5min取值，计算安全系数为1.79。

（2）计算点火焰温度

根据国际标准化组织（ISO）推荐的火场升温函数［1］：

其中：T为火场温度（℃）；

T0为火场初始温度（℃）；

t升温时间（min）；

T＝30＋345 log（5×8＋1）＝586＜750℃（10）现场火焰的颜色为红色，其火焰温度按照不小于750℃考虑。

当T＞335℃时，λc＜1.3，按1.3J／（m·k·s）全程计算时，表面砼的导热性能偏高，计算内部的温度高于实际值，则计算结果偏于安全。

（6）砼热容

根据欧洲混凝土结构设计规范［2］建议，混凝土比热Cc（J／（kg·℃））：

Cc＝900＋80×T／120－4×（T／120）2

其中：

20℃≤T≤1200℃

当20℃≤T≤1200℃时，913≤Cc≤1255，Cc取中值与最低值的平均值998 J／（Kg·k），稍偏于安全。

（7）混凝土表面与大气的热交换强度

根据文献［1］，取平均温度T＝500℃时的值取23J／（m2·k·s）。

（8）砼介质体密度

ρ为砼介质体密度2400 kg／m3。

3.5 计算结果

（1）不同深度最高温度数值解，即火焰温度750℃，持续燃烧5min，砼厚度方向由表及里的最高温度分布见表1。

表1 池壁不同深度最高温度数值解

从表1可以发现，随着深度由30mm至90mm增加，对应深度的最高温度值由181℃向52.5℃递减，到达最高温的时间由11.0min向47.2min递增。

（2）30min时温度场数值解，即在火焰温度750℃持续燃烧5min后，砼厚度方向由表及里的温度分布见表2。

表2 火灾发生30m in时温度场数值解

从表2可以发现，火灾发生30min时，深度由30mm向90mm变化时，相应部位的最高温度由86.7℃向47.6℃递减。

（3）对环向预应力的影响，即距池外壁90mm厚度处，按燃烧持续时间分别为5min、2min和1min的最高温度分别见表3。

表3 深度70mm～90mm处混凝土最高温度（℃）

从表3可以发现，深度70mm～90mm处的混凝土的最高温度随着火灾持续的时间延长而温度升高。当火灾持续5min时，70mm深处的混凝土的最高温度为66.6℃；而当火灾持续1min时，90mm深处的混凝土最高温度为41.8℃。说明火灾持续时间越长，混凝土深度越小混凝土的最高温度越高。

（4）对竖向预应力的影响，即距池外壁200mm～300mm厚度处，按燃烧持续时间分别为5min、2min和1min的最高温度分别见表4。

表4 深度200mm～300mm处混凝土最高温度（℃）

可以从表4发现，深度大于200mm时，火灾持续时间5min内时，混凝土中的温度上升小于1℃。

3.6 结构灾后评估

根据上述计算结果及相关的规范，对火灾后结构安全评估如下：

（1）本工程结构配筋距离砼表面35mm，预应力筋距离砼表面110mm，上述位置的最高温度低于181℃、52.5℃，依据温度与钢材力学性能的关系［3-4］，当温度小于200℃时，所有等级的钢筋强度降低幅度均很小；当温度等于200℃时，二级钢强度减小约20Mpa，而现场钢筋取样的实测值比标准值大60Mpa。因此，可以判定本次火灾对预应力筋、非预应力筋的力学性能不会产生较大影响。

（2）由于砼导热系数小，灭火过程中遇水降温，终止了热量向内继续传播，表面的高温对池体30mm以内的混凝土性能并没有造成较大影响，火灾对砼的影响只局限在表层30mm范围内，对结构的影响很小。

（3）本文的计算过程未考虑消防灭火时浇水降温的有利影响以及燃烧过程中保温薄板的保温作用，根据文献［1，5］，本文数值计算得到的温度应高于实际的温度；同时，砼中含有一定量的自由水和结晶水，具有吸热作用，数值计算中没有考虑这一有利因素，计算得到的温度值也高于砼表面及内部的温度。因此，计算结果偏于安全。

4 检测验证

（1）根据现场钢筋取样的机械性能试验［6］和化学性能试验［6］，钢材力学性能和化学性能没有变化，说明火灾没有对钢材造成损伤。这与本文火灾对预应力筋、非预应力筋的力学性能不会产生较大影响的数值分析结果是一致的。

（2）灾后进行了现场砼表面强度的回弹检测［6］、取芯试验和整池满水闭气试验［6］，试验结果合格，满足设计要求，说明火灾没有对砼造成较大的损伤。证明了本文数值计算结果的正确性，即火灾对深度大于10mm混凝土、深度大于30mm的非预应力钢筋、深度110mm的预应力钢绞线的损伤很小。

5 结论

通过本文的研究，得到以下结论：

（1）本文数值计算得出的结论与火灾后现场取样检测试验结果相一致，证明了本文计算结果的正确性。本文的数值计算为该工程火灾后安全性评估鉴定提供了理论依据。

（2）采用热传导方程，进行合理的参数取值，可以定量分析火灾后预应力混凝土结构的损伤。本文的计算方法适用于预应力混凝土结构火灾后的安全性评估计算，可供该类结构火灾后的安全性评估及鉴定借鉴采用。

（3）混凝土结构有较强的抗火能力，尤其是钢筋的深度大于30mm时，短时间的火灾对钢筋的影响是可以忽略不计的。

［1］丁发兴，余志武.四面均匀受火下圆钢管混凝土温度场非线性分析.2006年9月《华中科技大学学报（城市科学版）》.

［2］Eurocode2.Design of Concrete Structures，Part1-2，General Rules——Structural Fire Design［S］.1996.

［3］吕彤光，时旭东，过镇海.高温下Ⅰ～Ⅴ级钢筋的强度和变形试验研究.1996年9月，福州大学学报（自然科学版），第24卷增刊.

［4］王俊，蔡跃，黄鼎业.预应力钢筋高温蠕变试验研究及有限元分析应用.2004年11月，《木工程学报》第37卷，第11期.

［5］张福林，冯志坚.钢筋混凝土构件载货在高温作用下内部温度的探讨.1994年12月，《西安矿业学院学报》第14卷，第4期.

［6］某工程灾后钢筋复试、混凝土强度、消化池满水闭气试验报告.2006年8月.

Analysis of Structural Safety After Fire

Wei Yongbin，Lin Bing，Bai Chenguang
（China State Construction Engrg.Corp.Ltd.Technical Center，Beijing 101300，China）

On the basis of the processes of fire happened in some sewage treatment plants，by reasonably choosing parameters，e.g.，fire time，fire temperature，heat capacity of concrete，concrete thermal conductivity，air temperature，intensity of heat exchange of concrete surface，a model is established to obtain the temperature field of structure.According to chemical stability and thermodynamic properties of concrete，steel and pre-stressed strands under different temperature actions，an analysis of structure safety is carried out and numerical results coincide with conclusions drawn from tests after fire.The method provided is suitable for evaluation on structure safety after fire.

Fire；Evaluation After Fire Disaster；Numerical Calculation；Structure Safety

X928.7；TU31R＋.3

A

1674－7461（2010）02－0101－05

国家“十一五”科技支撑计划课题（2007BAF23B04）；中国建筑工程总公司科研资金（CSCEC-2005-C-02）。

韦永斌（1969－），男，高级工程师，中国建筑股份有限公司技术中心工程智能中心负责人。