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某工程火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全分析

文檔作者：韋永斌林冰白晨光文檔來源：中國建筑股份有限公司技術(shù)中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月16日
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第2卷第2期
2010年6月
V01．2 No．2
Jun．2010
某工程火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全分析
韋永斌林冰 白晨光
(中國建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300)
【摘要】本文根據(jù)某污水處理廠蛋形消化池火災(zāi)過程，建立熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型。對(duì)火場(chǎng)持續(xù)時(shí)間、火場(chǎng)溫度、混凝
土的熱容、混凝土的熱導(dǎo)率、大氣溫度、混凝土表面熱交換強(qiáng)度等參量進(jìn)行合理取值，進(jìn)行計(jì)算分析，得到不同深
度、不同時(shí)刻混凝土的溫度場(chǎng)。根據(jù)混凝土、鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線在不同持荷條件下的化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)特性，
實(shí)現(xiàn)蛋形消化池鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的火災(zāi)損傷定量分析，為蛋形消化池的火災(zāi)結(jié)構(gòu)安全鑒定提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】火災(zāi)；災(zāi)后評(píng)估；數(shù)值計(jì)算；結(jié)構(gòu)安全
【中圖分類號(hào)】X928．7；TU31R ．3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1674—7461(2010)02—0101—05
1 工程及火災(zāi)概況
1．1 工程概況
蛋形消化池是污水處理廠污泥消化處理的重
要構(gòu)筑物。該工程由四座卵形消化池通過管廊、天
橋相連，并與污泥控制室形成一個(gè)整體，四座卵形
消化池結(jié)構(gòu)形式完全一樣，池內(nèi)凈高43．595m，地面
以上高26．995m，埋深17．60m，卵形體最大內(nèi)直徑
24．8m，池壁砼為C40，厚從600mm漸變至400ram。
外形為三維曲面體。池體內(nèi)壁采用高溫涂料防腐，
外壁采用發(fā)泡聚氨酯保溫，外掛鋁塑板。地基為天
然中風(fēng)化巖地基。
池體為雙向有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)
力筋采用7 5鋼鉸線，環(huán)向筋距離池壁外表面
1lOmm；豎向布置在1／2池壁厚度處。非預(yù)應(yīng)力筋
構(gòu)造配筋，為雙向雙層鋼筋網(wǎng)，保護(hù)層厚度35mm。
1．2 火災(zāi)情況
該污水處理廠的1號(hào)蛋形消化池發(fā)生火災(zāi)，過
火面積(如圖1所示)約為500m ，約占體表面積
的40％ 。該工程發(fā)生火災(zāi)后，需要進(jìn)行火災(zāi)損傷
鑒定，以確定工程火災(zāi)后的處理方案。為了從理
論上確定火災(zāi)對(duì)蛋形消化池結(jié)構(gòu)的影響程度，本
文對(duì)蛋形消化池池壁砼所受火災(zāi)損傷進(jìn)行數(shù)值計(jì)
算分析。
圖1 蛋形消化池的過火照片
2 火災(zāi)損傷分析思路
該工程的蛋形消化池池體屬于軸旋轉(zhuǎn)殼體薄
殼預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，曲面半徑大，火災(zāi)對(duì)池體的
烘烤接觸面為池體的表面。因此，對(duì)該工程的火災(zāi)
分析可以采用熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，然后根
據(jù)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)不同部位的材料熱力學(xué)
特性，對(duì)相應(yīng)部位的材料組織損傷程度、有效預(yù)應(yīng)
力參數(shù)等進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。同時(shí)，對(duì)池體進(jìn)行材料力
學(xué)性能的原位檢測(cè)和池體的滿水、閉氣滿負(fù)荷試
【基金項(xiàng)目】 國家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題(2007BAF23B04)；中國建筑工程總公司科研資金(CSCEC一2005一C-02)。
【作者簡(jiǎn)介】 韋永斌(1969一)，男，高級(jí)工程師，中國建筑股份有限公司技術(shù)中心工程智能中心負(fù)責(zé)人。
l02
驗(yàn)，確定池體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)損傷后的使用功能 最
終，通過瑪論分析和原位檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)該工程蛋形消
化池的火災(zāi)綜合定量評(píng)價(jià)。
3 火災(zāi)數(shù)值計(jì)算
蛋彤消化池的池肇結(jié)構(gòu)剖面簡(jiǎn)圖如圖2所示：
熱傳播方向
圖2 蛋形消化池池壁剖面簡(jiǎn)圖
3．1 熱傳導(dǎo)方程
根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，該蛋形消化池的火災(zāi)熱影響
町以通過熱擴(kuò)散方程(1)和其邊界條件(2)和(3)
表述。
熱傳導(dǎo)方程為：
邊界條件1：
T(X，Y， ，0)=To (2)
其中：
t=0時(shí)，混凝土溫度為 。
邊界條件2：
Q( ，Y，z，t)=a(T—To) (3)
其中：
當(dāng)t>0時(shí)，(X、Y、z)為火烤混凝土表面
坐標(biāo)點(diǎn)， 為空氣溫度， 為表面混凝土
的溫度，a為表面熱交換強(qiáng)度，Q( ，Y， ，
t)為熱流強(qiáng)度。
3．2 簡(jiǎn)化熱傳導(dǎo)方程
由于池壁曲面半徑大于池壁厚度20倍，以上方
程可簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)方程(4)及其邊界條件(5)
和(6)。
丁
02T
： 一Ot (4)
A 、
pe
邊界條件1：
T( ，0)= To (5)
其巾：
t=0時(shí)，混凝土的溫度為 。
邊界條件2：
Q(0，t)=a(T—To) (6)
其中：t>0時(shí)， 為空氣溫度， 為表面混凝土
的溫度，a為表面熱交換強(qiáng)度，Q(0，t)為
熱流強(qiáng)度。
在(1)至(6)中：
為點(diǎn)坐標(biāo)( ，t)處的溫度值
P為介質(zhì)體密度
C為介質(zhì)熱容
A，為介質(zhì)熱導(dǎo)率
3．3 數(shù)值計(jì)算程序
考慮到溫度對(duì)材料性能的影響，簡(jiǎn)化的火災(zāi)熱
傳導(dǎo)方程(4)為變系數(shù)偏微分方程，很難求得解析
解。因此，本文在微軟VS2008軟件開發(fā)平臺(tái)上，根
據(jù)簡(jiǎn)化的熱傳導(dǎo)方程(4)及相應(yīng)的邊界條件(5)、和
(6)，采用有限差分法編制火災(zāi)數(shù)值計(jì)算程序。程
序界面如圖3一圖5所示：
圖3 火災(zāi)熱傳導(dǎo)計(jì)算參數(shù)輸入界面
塑
：
+
+
某工程火災(zāi)后結(jié)構(gòu)襲全分析 103
圖4 不同深度溫度分布曲線
圖5 某點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化曲線
3．4 計(jì)算參數(shù)取值
應(yīng)用該程序?qū)こ袒馂?zāi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)
算，計(jì)算參數(shù)取值如下：
(1)計(jì)算點(diǎn)過火時(shí)間
蛋形消化池的過火高度為242—215=27m，過
火時(shí)間歷時(shí)35min，平均局部過火速度為
0．77m／rain，火焰高度2m，局部過火時(shí)間為2／0．77
= 2．8min，按5min取值，計(jì)算安全系數(shù)為1．79。
(2)計(jì)算點(diǎn)火焰溫度
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的火場(chǎng)升溫
函數(shù) ：
T=v0+3451og(8t+1) (9)
其中：T為火場(chǎng)溫度(℃)；
71n為火場(chǎng)初始溫度(℃)；
t升溫時(shí)問(min)；
T=30+3451og(5×8+1)=586<750~C (10)
現(xiàn)場(chǎng)火焰的顏色為紅色，其火焰溫度按照不小
于750oC考慮。
(3)大氣溫度
根據(jù)氣象資料，大氣溫度取為30~C。
(4)砼內(nèi)部初始溫度
根據(jù)大氣溫度，取30~C。
(5)砼熱導(dǎo)率
根據(jù)文獻(xiàn)l1]，混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)Ac(w／(m·k))：
A =1．355 (11)
其中：
20℃ ≤ ≤293oC
A =1．7162—0．001241T (12)
其中：
≥293
當(dāng)T>335~(2時(shí)，A <1．3，按1．3J／(1TI·k·S)
全程計(jì)算時(shí)，表面砼的導(dǎo)熱性能偏高，計(jì)算內(nèi)部的
溫度高于實(shí)際值，則計(jì)算結(jié)果偏于安全。
(6)砼熱容
根據(jù)歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 建議，混凝土
比熱Cc(J／(kg·℃))：
C =900+80×T／120—4×(T／120)
其中：
20qC≤ ≤ 1200
當(dāng)20℃ ≤T≤1200℃ 時(shí)，913≤Cc≤1255，C
取中值與最低值的平均值998 J／(Kg·k)，稍偏于
安全。
(7)混凝土表面與大氣的熱交換強(qiáng)度
根據(jù)文獻(xiàn)¨J，取平均溫度T=500~C時(shí)的值取
23J／(m ·k·S)。
(8)砼介質(zhì)體密度
P為砼介質(zhì)體密度2400 kg／1TI 。
3．5 計(jì)算結(jié)果
(1)不同深度最高溫度數(shù)值解，即火焰溫度
750~C，持續(xù)燃燒5min，砼厚度方向由表及里的最高
溫度分布見表1。
表1 池壁不同深度最高溫度數(shù)值解
從表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度由30ram至90ram
增加，對(duì)應(yīng)深度的最高溫度值由181℃ 向52．5℃ 遞
減，到達(dá)最高溫的時(shí)間由11．0rain向47．2min遞增。
(2)30rain時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)值解，即在火焰溫度
750cc持續(xù)燃燒5min后，砼厚度方向由表及里的溫
度分布見表2。
表2 火災(zāi)發(fā)生30rain時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)值解
測(cè)點(diǎn)深度(111111) 最高溫度(℃)
3O
50
70
90
86．7
97．9
66．6
47．6
從表2可以發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)發(fā)生30rain時(shí)，深度由
30mm向90mm變化時(shí)，相應(yīng)部位的最高溫度由
86．7℃ 向47．6~C遞減。
(3)對(duì)環(huán)向預(yù)應(yīng)力的影響，即距池外壁90mm
厚度處，按燃燒持續(xù)時(shí)間分別為5min、2rain和1rain
的最高溫度分別見表3。
表3 深度70mm～90mm處混凝土最高溫度(℃)
從表3可以發(fā)現(xiàn)，深度70mm～90ram處的混凝
土的最高溫度隨著火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間延長(zhǎng)而溫度升
高。當(dāng)火災(zāi)持續(xù)5rain時(shí)，70ram深處的混凝土的最
高溫度為66．6℃ ；而當(dāng)火災(zāi)持續(xù)1rain時(shí)，90mm深
處的混凝土最高溫度為41．8℃ 。說明火災(zāi)持續(xù)時(shí)
間越長(zhǎng)，混凝土深度越小混凝土的最高溫度越高。
(4)對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力的影響，即距池外壁200mm
～ 300mm厚度處，按燃燒持續(xù)時(shí)間分別為5rain、
2rain和1rain的最高溫度分別見表4。 ‘
表4 深度200ram一300mm處混凝土最高溫度(℃)
注：測(cè)點(diǎn)起火時(shí)刻t=0rain。
可以從表4發(fā)現(xiàn)，深度大于200mm時(shí)，火災(zāi)持
續(xù)時(shí)間5min內(nèi)時(shí)，混凝土中的溫度上升小于1℃ 。
3．6 結(jié)構(gòu)災(zāi)后評(píng)估
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及相關(guān)的規(guī)范，對(duì)火災(zāi)后結(jié)
構(gòu)安全評(píng)估如下：
(1)本工程結(jié)構(gòu)配筋距離砼表面35mnl，預(yù)應(yīng)力
筋距離砼表面110mm，上述位置的最高溫度低于
181 c【=、52．5℃ ，依據(jù)溫度與鋼材力學(xué)性能的關(guān)
系 4。，當(dāng)溫度小于200％ 時(shí)，所有等級(jí)的鋼筋強(qiáng)度
降低幅度均很?。划?dāng)溫度等于200％ 時(shí)，二級(jí)鋼強(qiáng)度
減小約20Mpa，而現(xiàn)場(chǎng)鋼筋取樣的實(shí)測(cè)值比標(biāo)準(zhǔn)值
大60Mpa。因此，可以判定本次火災(zāi)對(duì)預(yù)應(yīng)力筋、非
預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生較大影響。
(2)由于砼導(dǎo)熱系數(shù)小，滅火過程中遇水降溫，
終止了熱量向內(nèi)繼續(xù)傳播，表面的高溫對(duì)池體
30mm以內(nèi)的混凝土性能并沒有造成較大影響，火
災(zāi)對(duì)砼的影響只局限在表層30mm范圍內(nèi)，對(duì)結(jié)構(gòu)
的影響很／J、。
(3)本文的計(jì)算過程未考慮消防滅火時(shí)澆水降
溫的有利影響以及燃燒過程中保溫薄板的保溫作
某工程火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全分析
用，根據(jù)文獻(xiàn) ‘。 ，本文數(shù)值計(jì)算得到的溫度應(yīng)高于
實(shí)際的溫度；同時(shí)，砼中含有一定量的自由水和結(jié)
晶水，具有吸熱作用，數(shù)值計(jì)算中沒有考慮這一有
利因素，計(jì)算得到的溫度值也高于砼表面及內(nèi)部的
溫度。因此，計(jì)算結(jié)果偏于安全。
4 檢測(cè)驗(yàn)證
(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋取樣的機(jī)械性能試驗(yàn) 和化
學(xué)性能試驗(yàn) ，鋼材力學(xué)性能和化學(xué)性能沒有變
化，說明火災(zāi)沒有對(duì)鋼材造成損傷。這與本文火災(zāi)
對(duì)預(yù)應(yīng)力筋、非預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生較大
影響的數(shù)值分析結(jié)果是一致的。
(2)災(zāi)后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)砼表面強(qiáng)度的回彈檢測(cè) 、
取芯試驗(yàn)和整池滿水閉氣試驗(yàn)。。 ，試驗(yàn)結(jié)果合格，滿
足設(shè)計(jì)要求，說明火災(zāi)沒有對(duì)砼造成較大的損傷。證
明了本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，即火災(zāi)對(duì)深度大于
10mm混凝土、深度大于30ram的非預(yù)應(yīng)力鋼筋、深度
1 10ram的預(yù)應(yīng)力鋼絞線的損傷很小。
5 結(jié)論
通過本文的研究，得到以下結(jié)論：
(1)本文數(shù)值計(jì)算得出的結(jié)論與火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)取
樣檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果相一致，證明了本文計(jì)算結(jié)果的正
確性。本文的數(shù)值計(jì)算為該工程火災(zāi)后安全性評(píng)
估鑒定提供了理論依據(jù)。
(2)采用熱傳導(dǎo)方程，進(jìn)行合理的參數(shù)取值，可
以定量分析火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的損傷。本
文的計(jì)算方法適用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的
安全性評(píng)估計(jì)算，可供該類結(jié)構(gòu)火災(zāi)后的安全性評(píng)
估及鑒定借鑒采用。
(3)混凝土結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抗火能力，尤其是鋼
筋的深度大于30mm時(shí)，短時(shí)間的火災(zāi)對(duì)鋼筋的影
響是叮以忽略不計(jì)的。
參考文獻(xiàn)
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驗(yàn)報(bào)告．2006年8月．
Analysis of Structural Safety After Fire
W ei Yongbin，Lin Bing，Bai Chenguang
(China State Construction Engrg．Corp．Ltd．Technical Center，Beifing 1 0 1 300，China)
Abstract：On the basis of the processes of fire happened in some sewage treatment plants
， by reasonably choo．
sing parameters，e．g．，fire time，fire temperature，heat capacity of concrete，concrete thermal conductivity
， air tern．
perature，intensity of heat exchange of concrete surface，a model is established to obtain the temperature field of
structure．According to chemical stability and therm odynamic properties of concrete
， steel and pre．stressed strands
under different temperature actions，an analysis of stru cture safety is carried out and Bumerilca1 results coincide with
conclusions drawn from tests after fire．The method provided is suitable for evaluation Oil structure safetv atier fire．
Key W ords：Fire；Evaluation After Fire Disaster；Numerical Calculation：Structure Safety

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