Page 265 - 消防安全管理与技术创新

第九章 高层建筑灭火救援

第三节 高层建筑火灾结构安全致灾机理分析

在火灾条件下，正常设计、使用的高层建筑可靠性在火灾持续一定时间内是有保
证的，研究高层建筑火灾结构安全出现致灾倒塌、失稳的机理，可以进一步为灭火救
援处置判断内攻决策提供依据。高层建筑在火灾中，其结构构件同样适用热力学相关

概念，适用傅立叶微分方程，研究其传热机理、再研究其失效机理是可行途径。由于
高层建筑主要的结构构件为钢材和混凝土，本章将专门针对这两种建筑材料在高温条

件下的物理特性以及高温下失效机理分析，研究其高温下力学性能变异，进而分析整
栋高层建筑在火灾中结构失稳的机理。

一、建筑构件传热机理

建筑物内火灾将产生大量热量，并不断向其周边释放和传播。热量传递主要有

热传导、热对流和热辐射3种方式。火灾产生的高温烟气与构件主要通过对流和热辐
射传递热量，建筑构件局部接受热量温度上升，构件内部主要以热传导的方式传递

热量。
造成建筑构件温度上升主要因素是热对流和热辐射。火灾产生的高温烟气与建筑
构件表面进行热交换，因此，建筑构件内部温度场边界条件可由对流和热辐射的热量

确定。
在火场中，基于热传导原理，已知建筑构件温度，采用数值分析方法可计算构件

内部温度场分布。需要说明的是，建筑构件内部温度场是时间的函数，随着时间的变
化，温度场是变化的。采用傅立叶微分方程可计算出建筑构件内部的温度场分布。一

般情况下，热量在建筑构件内部为三维热传导问题。实践中，建筑构件内部的热传导
忽略长度方向而简化为二维非稳态热传导模型。

二、建筑材料的高温失效机理

（一）高温条件下钢材材料特性

钢结构和钢筋混凝土结构是现代高层建筑主要结构形式。钢构件、钢筋混凝土构
件的力学性能在高温条件下下降显著，从而成为火灾中建筑结构坍塌的最主要原因。

特别是钢结构建筑，高温环境使得钢结构强度下降显著。当其温度上升至500℃时，
钢结构便可能由静态平衡状态转入不平衡状态。当其温度上升至600℃时，钢结构便

可能发生倒塌现象。另一方面，由于建筑结构在火场中周边温度场不均匀，建筑构件
外部表面温升不均匀，构件内部温度场不均匀，温度变化梯度不均匀，建筑构件发生

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