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地震后钢筋混凝土构件防火性能评估
雨果·维托里诺[1]，雨果·罗德里格斯[2]，卡洛斯·库托3
摘要：大型地震可能会导致一系列事件，其中之一可能就是地震后发生的火灾。地震后的火灾对城市地区的影响甚至可能比地震本身更加严重。因为大多数标准都忽略了这种可能性，导致建筑物在地震后没有适当的防火设计。本项工作的目的是评估地震事件对钢筋混凝土构件的耐火性造成的破坏后果。考虑到结构的热和力的分析，使用SAFIR程序进行了一些数值分析来加固混凝土构件。分析中的主要变量是单元损坏的类型和载荷的类型。使用标准着火曲线ISO 834进行热分析。结果表明，地震对钢筋混凝土结构造成的损害，尤其是在移除了构件的混凝土保护层使钢筋暴露于火中的情况下会降低其耐火性能。
关键词：震后火灾；消防安全评估；耐火性能；钢筋混凝土结构；地震损伤地震评估
简介
有历史证据表明，城市建筑环境在地震后可能发生火灾，其后果导致生命和财产损失的增加。在通常情况下，可以通过三个主要方面来应对建筑物火灾，包括主动和被动消防系统以及消防队的手动灭火。由于没有水导致灭火很困难，因此足够的水供应是很有必要的，供水系统容易受到地震破坏，并且很可能发生故障。地震会造成结构性和非结构性损坏，从而导致被动保护系统失效，并可能形成增加隔室通风的开口，这些开口允许烟雾和热气移动到建筑物的不同区域。地震后，主动保护系统（例如检测，警报和灭火系统）也可能损坏，导致功能故障，这可能会引起不明显的点火，从而导致更大的火灾，更难以扑灭。发生大地震后，消防队可能会面临几个问题，使他们无法迅速展开救援和灭火工作。这些问题可能与报告延误，无法通行的进出路线，交通拥堵，运营车辆损失和设备损失有关。由于可能同时出现多次点火和消防资源不足，消防员的到来将被延迟[1,2]。在地震发生后，鉴于发生的次数较多，救援队将非常受欢迎，因此反应时间将会更长，这种情况再加上受损的钢筋混凝土构件的耐火性能最终降低会导致生命和结构损失。因此，更好地了解地震后的火灾行为，特别是主要建筑物的火灾行为，是很重要的，因此可以实施一些规范措施，以确保在这种情况下建筑物能具有更好的性能。
震后火灾概述
2.1.建筑物的地震破坏
地震会导致建筑物中不同类型的结构性和非结构性损坏，在普通的钢筋混凝土（RC）填充建筑物中，砌体墙通常不被视为结构单元[3]，砌体砖墙通常具有脆性，当砌体墙产生破坏时会改变结构的刚度从而改变了建筑物的结构响应，会导致设计中的非承重结构构件受力而发生破坏，通常可以采用延性更好的砌体墙来避免这种情况，梁、柱、墙、楼板甚至地基等钢筋混凝土构件中也存在结构损伤。保证结构在地震作用下能够正常受力，具有适当强度，刚度和延性的结构构件很重要，梁柱节点之间的连接良好且具有适当的延性也很重要。在现有结构中，尤其是老旧的钢筋混凝土结构，在设计时没有考虑结构的抗震性能，普遍存在钢筋配筋不良的问题。钢筋配筋设置出现问题有多种情况，如梁柱节点处的约束钢筋位置放置不当、梁柱横向钢筋配筋不足以及核心混凝土的约束不良等，短搭接和不正确的末端处理也属于钢筋处理有误。在某些情况下，可以观察到使用光圆钢筋，会使混凝土和钢筋之间的粘结力较弱[4]，还有其他导致结构在地震作用下容易受到破坏的情况，例如混凝土质量差、与强梁弱柱有关的损伤以及底层较柔和施工中的缺陷等[5,6]。
2.2.火灾特征
火是一种以火焰的出现、保存和传播、热量释放、气体排放和产生烟雾为特征的燃烧现象。
在火的自然发展过程中，从开始到熄灭，经历了着火，生长，闪络，燃烧和衰减等几个重要阶段[8]。从点火到闪络的火灾演变取决于多种因素，其中一些因素与燃料和氧化剂有关，另外一些因素与火灾发源地的当地特征有关，主要因素如下：（1）可用燃料的种类和数量；（2）可用的氧化剂（氧气）的数量，这取决于房间通风条件和开口的尺寸；（3）房间的几何形状；（4）地面，墙壁和涂料的类型；（5）大气条件（温度，风向等）。在点火后，火开始依靠可用燃料发展，释放热量导致温度升高。在此阶段，火灾可能是由于缺少燃料材料（由燃料控制的火灾）或氧化剂不足（由通风控制的火灾）而结束的，如果有足够的燃料和氧化剂，并且没有外界干预，则房间内的温度会持续升高，这种情况导致直到那一刻尚未开始燃烧过程的材料着火，闪络是到燃烧阶段的过渡。当房间中的所有燃料都卷入火中时，发生燃烧阶段。着火的房间内温度不均匀，靠近天花板的地方，与地板和墙壁较低的地方相比，温度会更高。着火时产生的热气进入房间的上部，火焰向天花板延伸[1]。由于直接干预（例如，消防员的行动或自动灭火系统）或由于隔间特性（例如，缺乏氧化剂），并非所有的火灾都具有完整的发展阶段，可以在达到燃烧阶段之前将火扑灭 [8]。
2.3.震后火灾
城市大火通常会经历以下几个阶段，即着火、发展、探测、报告、响应、抑制活动和灭火（由于抑制活动或由于燃料耗尽）。地震后火灾的发展与在其他情况火灾相似，主要的区别在于救援队的反应，在大地震期间和之后，救援队的反应可能会受到干扰而使救援发生中断，导致这种中断的因素有很多，例如，几个同时发生的点火检测延迟、报告延迟和供水减少或耗尽的可能性，地震对于火灾的广泛影响在于其会导致数次点火的发生，与其他火灾相比，地震后的火灾有增长和蔓延的机会，而且扑灭起来更加困难，地震后消防资源不足是造成灭火困难的主要原因，探测器损坏或检测人员不注意可能会导致探测延迟，但是发现地震后火灾的时间通常与发现其他火灾的时间没有区别，通信系统的故障和过载的高频率使用会导致报告延迟[1，7]。地震后火灾的主要着火源是与电气或燃气，其他来源也可能是明火、热表面、溢出的化学物质产生放热的化学反应以及故意点燃的火[1,2]。地震震动会给电线施加压力，导致短路从而引起火灾。地震也可能会损坏燃气用具和燃气供应管线，这些损坏都可能会被存在于该用具中的电源或火焰点燃，某些不固定的电器（例如炊具，燃气热水器和固体燃烧器）可能会倾倒，如果其残余热量接触可燃物，可能会引起火灾，对损坏的电器和电线恢复电力和煤气供应也会引起火灾，如果采取一些预防性措施和安装程序，则可以降低大地震后的火灾风险，减少地震后火灾的主要措施是对居民进行安全教育，以最大程度地降低火灾危险，并对燃气网络进行适当的设计，包括设置一个网络发生损坏时减少燃气量的自动阀，这些自动阀安装在燃气表后面的管道中，有了这些，地震后，房屋内的燃气就减少了。电力网络通常具有安全设备，该设备会在大地震开始后几秒钟关闭网络[1]。地震后火灾对钢筋混凝土建筑物的影响还不是很清楚，在过去的几年中，已经进行了一些关于地震后火灾的数值和实验研究，以便能够更好地清楚这种影响，在框架结构中进行的一些实验研究表明，使用标准火灾曲线可能不太准确，因为不同的材料可能具有不同的温度曲线[8-11]。在同一的研究中，分析结构的不同单元中出现的裂纹表明，钢筋的细节在暴露于火中时会对结构的整体性能产生影响，在大多数结构构件中，具有非延性的钢筋混凝土框架中的温度比具有延性的钢筋混凝土框架中的温度高得多[10,11]。据观察，砌体填充墙为钢筋混凝土结构元件提供了隔热，并减慢了热量向这些结构的传递，这显示了砌体墙对砌体墙中的柱和梁有益，在进行梁、柱设计时应考虑这种有益效果[8]。 舱室中的开口的位置以及由此产生的火焰和热气体的运动也对结构构件中的温度变化产生了影响，这种情况可能会也可能不会导致地震造成的破坏位置与火灾造成的破坏位置重叠[9]。关于对纤维增强复合材料加固的钢筋混凝土构件的耐火性也进行了一些数值和实验研究[12,13]，结果表明，受到生命安全（LS）和抗倒塌（CP）损伤水平下试样的耐火时间分别约为32和15分钟，而用纤维增强复合材料加固的试样的耐火时间分别约为43和23分钟，该解决方案在抗倒塌级别增加25％，在生命安全级别增加35％[12]，同样，在使用纤维增强复合材料时，采用这种方法将梁的塑性铰链从柱上移开，可以提高框架结构的抗震防火性能[14]。除了研究钢筋混凝土建筑物的地震火灾外，我们还开展了有关钢结构地震后火灾的研究，在一些研究中，重点是对钢框架结构地震后火灾行为的分析[15]。有一些研究旨在分析地震对钢结构被动防火的影响，一些用作被动防火的材料具有脆性，在地震作用而遭受损坏，从而导致钢结构的耐火性较低[16,17]；也有关于钢框架的接点和连接方式的研究，结果表明，对接点的严重损坏会导致耐火能力的降低[18,19]。
2.4.回顾历史数据
纵观整个历史，可以找到几个地震后发生火灾的例子，比如1993年日本北部的北海道南部奥基地震，在这次地震中，246人死亡或失踪，190所房屋和建筑物在11个小时内被大火烧毁 [17]，地震和海啸之后，Aonae被大火烧毁，镇子外部储存的用于烹饪和取暖的丙烷和煤油罐加速了建筑物之间的火灾蔓延。另一个例子是1994年在南加州圣费尔南多谷（North Fernando）的北岭（Northridge）发生的地震，这次地震造成58人死亡（无火灾）和1500人重伤，地震发生后最初有30–50起重大火灾，不到8小时后，火灾总数约为110起，其主要原因是天然气管道和设备的气体泄漏，几天后天然气和电力的恢复引起了大火[1，2]。地震后火灾，对于不是地震后立即发生的火灾人们也有各种不同的看法。 2011年3月11日发生的东日本大地震是日本近代史上最大的地震之一，造成了大量的灾害废弃物，必须建立室外存储区来存放这些灾难废弃物，在这些地区中，东北地区发生了40多起火灾。据认为，起火的可能原因之一是微生物发酵产生的热量，微生物在这种情况下很容易繁殖，产生的热量会导致自燃，存放在室外存储区域中的材料对此过程有很大的影响，例如，与混凝土相比，木材的存在最有可能导致更多的起火，在该主题上进行的一项研究表明，木片和烂榻榻米发酵过程中产生的热量很可能是自燃的触发因素，这种情况仅是一个例子，说明震后火灾可能是由不同原因引起的，并且可能出现在最初未预期到的地方[20,21]。
研究方法
数值分析是由SAFIR开发的，SAFIR是用于在环境温度和高温条件下分析结构的计算机程序。该程序基于有限元方法（FEM），可用于研究一维、二维和三维结构的响应。 SAFIR可以进行热分析和机械分析，进行热分析之后进行机械分析，温度分布会对机械响应产生很大的影响，但是相反的情况目前还不能用软件来处理。在热分析中确定的混凝土开裂对热导率分析没有影响 [22,23]。
一些研究表明，当混凝土在受热表面出现长达101mm的裂缝时，其热传导速率没有明显的增加或减少。这种情况表明，对加热的结构依次进行热分析和机械分析是一种有效的方法[24]。
将火灾产生的气体温度作为输入数据输入SAFIR。利用这些数据，SAFIR将计算出结构中温度的演变，之后，根据几何形状、支撑条件、载荷和材料强度计算结构的机械性能。温度的升高会改变材料的强度并导致热伸长，强度和刚度的降低以及热伸长率的增加导致位移的增加，直到结构破坏，机械性能直接受到温度升高导致的强度、刚度和热伸长损失的影响。在SAFIR中，数值分析将在用户指定的时间（240分钟），或者在物质层面发现数值问题或无法收敛到平衡状态时停止[25,26]。
第一个步骤是为梁和柱创建不同的截面，它们具有不同的损坏类型和火灾边界数量。对这些截面进行热分析，以确定损坏类型和火灾边界对钢筋温度的影响。随后，将不同的截面合并到钢筋混凝土构件中，以便能够对梁和柱进行结构分析。梁和柱的分析所用的材料性质是相同的。通过减小覆盖层的厚度来模拟这些部分的损坏，损坏D0/D1对应完整的部分或带有小裂纹的部分，损坏D2对应于在混凝土模型中由于构件表面一些混凝土剥落引起的轻微损坏，而损坏D3是主要损坏水平，对应于大的混凝土剥落，在整个覆盖层的拆除过程中进行，使钢筋在数值模型中暴露。在梁横截面中，考虑底部和侧面的损伤，而在柱中，考虑了柱的所有横截面侧面的损伤。据认为，以钢筋混凝土构件（D0/D1，D2和D3）表示的损伤与FEMA356中所述的结构性能等级相一致，在直接占用（IO）级别中，观察到结构构件的轻微损坏，在以下分析中，这对应于损坏D0/D；在生命安全（LS）级别中，观察到的梁的大范围损伤以及延性柱覆盖层剥落和剪切开裂，在以下分析中，这相当于损伤D2；关于防倒塌（CP）水平，在柱和梁中观察到大范围的散裂，这对应于以下分析中的损伤D3 [27，28]。使用的着火曲线为ISO 834 [29]。对于横梁截面，在底部和侧面考虑了火灾边界。对于纵向的部分，它被认为是三种不同的火区布置，其中有一个、三个和四个火区。标准着火曲线ISO 834表示实际着火期间从闪络到着火完全发展的时间-温度演变。建筑物中的火灾具有加热阶段，随后是冷却阶段，这在标准着火曲线ISO 834中没有体现。火灾后钢筋混凝土结构的力学性能在火灾过程中提高或者降低。通常，结构的承载能力在冷却阶段会持续降低，达到最低值，然后在结构回到环境温度时部分或完全恢复。这种情况带来的威胁是使用标准着火曲线ISO 834时不会考虑到的，在舱室最高温度之后的一段时间内可能会出现结构故障 [30,31]。这种情况很重要，值得进行更多的研究，以便能够更好地了解温度降低时材料和结构的反应。然而，在以下的数值分析中未考虑此方面并且钢筋混凝土结构构件的坍塌与最高温度一致。
表1列出了数值分析中所用钢筋混凝土元件的所有材料特性。混凝土的抗压强度和钢筋屈服强度随温度的变化见EN 1992-1-2 [32]。模型中引入了几个具体参数：骨料类型（硅质或钙质）、泊松比、抗压强度和抗拉强度，还必须在模型中指出是否隐式或显式地处理了瞬态蠕变。隐式公式对应于欧洲规范中的模型，显示公式是对欧洲规范的改进，其经过校准后可产生与欧洲规范模型相同的响应，也考虑了应力或温度降低时瞬态
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