不弃点滴：结构抗火设计研习心得
前几日巴黎圣母院大火之后，无意中浏览了一下目前结构抗火设计方面的一些资料，现将阅读学习的一点心得体会给大家做一下分享。
一、结构抗火设计的意义与目的
目前结构抗火主要是针对钢结构，因为结构钢在高温下屈服点会显著降低。当前阶段随着钢结构多层建筑的应用及推广，结构抗火设计正在成为结构工程领域的一门新兴学科。
由于建筑火灾引起的结构破坏往往会造成建筑物的局部甚至整体的倒塌，使得建筑物修复困难，增加大量的间接经济损失，所以对建筑结构进行抗火设计有着重要的意义。
根据实际的经验，建筑结构在火灾中的破坏一般有以下几种不同的类型：
★构件的（局部）破坏；
★结构的局部性倒塌；
★ 结构的整体性倒塌；
针对这些破坏形式，建筑结构的抗火设计主要应达到以下的一些具体的目的：
减轻结构在火灾中的破坏，避免结构的局部及整体倒塌造成灭火及疏散的困难；减少灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能的恢复周期，以减少间接经济损失。
所有上述目的的实现，可以简单归结为一个基本的目标，即：保证结构或构件在火灾作用下具有合适的耐火时间。
二、结构抗火设计的原理及方法
结构防火设计的目标一般通过如下的几条途径来实现：
⑴．在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td不小于规定的结构的耐火极限tm，即：
td≥tm
⑵．在规定的耐火极限范围内，结构的承载力Rd 不小于各种作用所产生的效应组合Sm ，即
Rd≥Sm
⑶．结构达到承载力极限状态时的内部温度Td 不小于在耐火时间内结构的最高温度Tm ，即
Td≥Tm
显然上述三种要求是等效的。
对于钢结构的防火设计，一般采用涂敷防火涂料的处理方法，其抗火验算的步骤如下：
1、假设一个保护层的厚度；
2、计算构件在极限条件下的内部温度；
3、计算构件在各种因素作用下的内力；
4、进行构件的荷载效应组合；
5、计算构件在高温下的极限承载力；
6、进行构件抗火承载力极限状态验算。
当假设的防火层厚度不合适时（过小或过大），则重新调整防火层的厚度，重复上述步骤。
三、结构的防火措施及灾后的加固方法
结构抗火设计的另外一个重要方面就是选用合适的防火措施以及在火灾后对构件或结构的检测与加固，以尽快恢复其使用功能。
对于钢结构的防火措施，一般有在钢构件的表面涂敷防火涂料、钢构件周围砌筑耐火砖、浇注混凝土、包敷防火板、采用水冷却等，其中最为常用的是涂防火涂料。
对于钢筋混凝土结构而言，主要是在火灾损伤之后，根据结构的实际受损等级采取相应的加固措施，具体的评定标准以及相应的加固措施见下面的表格：
混凝土结构受损等级及加固措施
结构的受损等级 | 评定的标准 | 相应的加固措施 |
一级（轻度损伤） | 构件表面温度≤400℃，主筋温度≤100℃，无爆裂 | 进行表面的清理，重新进行粉刷 |
二级（中度损伤） | 构件表面温度400～500℃，主筋温度 ≤300℃，局部爆裂 | 将烧松散的混凝土铲除。填补同等级混凝土， |
三级（严重损伤） | 构件表面温度400～500℃，主筋温度≤350～400℃，严重爆裂 | 根据剩余承载力的计算结果，按等强原则加固 |
四级（危险结构） | 构件表面≥700℃ 主筋温度400～500℃ 钢筋保护层严重脱落 | 应予拆除并更换新的构件 |
最后，简单谈一下仿真在抗火设计中可能的应用方面。
1.火灾温度场的模拟，可以通过CFD软件进行仿真计算。
2.结构温度场计算，根据CFD分析得到的环境温度场，基于ANSYS、ABAQUS等结构分析软件的热分析功能计算结构中的温度分布。
3.结构温度应力的计算，由于结构受到约束会产生显著的热应力，那么基于ANSYS等求解器可以根据结构温度变化情况计算结构的热应力。
