第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 央视电视文化中心建筑结构火灾后力学性能评估 王广勇 （中国建筑科学研究院建筑防火研究所北京100013） 摘要：针对2009年2月9日央视电视文化中心特大火灾，本文提出了高层建筑火灾后力学性能评估的系统理论和方法.
首先通 过火灾现场调查和火灾数值模拟，确定建筑火灾温度场.
然后，提出了考虑火灾和荷载耦合的建筑结构火灾反应分析方法.
同时，还提出了整体建筑结构的火灾反应分析方法.
本文还进行了大量结构及构件的火灾后力学性能试验，对评估方法进行 验证，从面保证了评估方法的正确性和合理性.
本文提出的评估方法为央视电视文化中心火灾后的力学性能评估提供了有效 方法.
关键词：火灾后：力学性能：高层建筑：火灾现场调查：评估方法 1引言 近年来，高层建筑火灾频发，对建筑结构造成了较大的损伤.
例如2009年央视电视文化中心大火、2010 年上海胶州路教师公寓特大火灾等火灾均对建筑结构造成了较大的结构损伤.
建筑结构的火灾安全包含两 个主要问题，第一是建筑结构的抗火设计问题，第二个是建筑结构的火灾后力学性能评估与修复加固问题.
火灾作用是一种偶然作用，建筑结构应该具有抵御火灾的能力，建筑结构的抗火设计十分必要.
目前，相 对应常温下结构设计规范，我国的抗火设计规范编制工作相对落后，目前仅有国家标准《建筑钢结构防火 技术规范》报批稿，对于钢筋混凝土结构和型钢混凝土这两类常用结构的抗火设计则没有依据.
欧洲规范 制定了较为完善的结构抗火设计条文，包括钢结构设计、混凝土结构设计、钢-混凝土组合结构设计，上述 相关条文均作为相应的结构设计规范的一章，和其他结构设计条文处于同等重要的位置.
同样，火灾后， 建筑结构需要评估其灾后的力学性能，以便确定火灾后的建筑结构承载能力和刚度是否满足安全要求，因 此，建筑结构火灾后的力学性能评估方法亦十分重要.
目前，在建筑结构的抗火设计和火灾后的性能评估方法研究中取得了部分研究成果.
例如，王广勇等 等提出了钢筋混凝土火灾后力学性能计算的一些实用方法.
吴波进行了钢筋混凝土结构构件火灾力学 性能试验和理论研究.
在建筑结构整体耐火性能和火灾后性能评估方面，研究者对美国的世界贸易中心双 塔钢结构进行了飞机撞击引发的火灾作用下的倒塌进行了数值模拟.
目前，对超高层建筑结构整体火灾后 的力学性能研究成果较少.
2009年2月9日，中央电视台新台址电视文化中心（TVCC）发生特大火灾，大火持续6个小时，造成大 面积结构损伤，发生火灾时及火灾发生后建筑的情形如图1所示.
受央视委托，中国建筑科学研究院建筑 防火研究所承担了该建筑结构的火灾后力学性能评估工作，其中裙房部分的剧院屋盖的网架由建筑防火研 究所和中国建筑科学研究院结构工程研究所共同完成.
评估报告为修复设计单位提供修复设计依据.
基金承口.
国家自然科学基金项目（5127847），十二五国家科技支撑计划项目（2012BAJ07B01)：中国建筑科学研究院白等基金课题（32014011130730062) 作者简分：王广勇（19T2一1，男，站构工程博士，高缓工程师，主婴从事继构抗火设计方法及抗原性能研究.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 (a)火灾中的建筑 (b)火灾后的建筑 图1TVCC火灾 2总体评估方法 TVCC共有40个结构层，总建筑高度159m，其结构形式为带钢支撑的型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架 -剪力墙结构，结构受力复杂.
火灾发生时，首先发生了建筑外立面的整体火灾蔓延，然后火灾由建筑外部 向内部发展，火灾在建筑内部多个楼层均发生了大面积蔓延，建筑受火情况极为复杂，火灾后结构性能评 估难度较大.
为评估火灾对TVCC建筑结构的影响程度，在对火灾现场进行调查和分析基础之上，提出了央视TVCC 建筑结构火灾后力学性能评估的评估思路，详述如下.
火灾后对建筑结构的性能评估最重要的是确定火灾温度场，确定火灾温度场的基础是火灾现场的勘查 工作.
在对火灾现场烧损情况和结构损伤情况调查、对建筑设计资料及施工现场情况调查的基础上，结合 典型现场材料燃烧性能试验，利用建筑火灾的数值模拟重现当时的真实火灾，为结构及构件的力学性能评 估提供建筑温度场数据.
在确定建筑火灾的基础上，进行建筑结构及构件的传热分析，确定建筑结构及构 件的温度场.
确定构件稳温度场之后，进行荷载作用下建筑结构的火灾全过程分析，包括火灾下的荷载与 温度耦合分析，以及考虑火灾导致的结构残余内力和残余变形、刚度和承载能力损失的火灾后结构的力学 性能分析.
由于评估工作复杂、难度大，为了确保评估方法的正确性，项目评估时还进行了大量材料和构 件的火灾后力学性能试验，这些试验一方面可以用来验证评估方法的正确性，同时也可直接为计算模型提 供计算参数.
总体评估思路如图2所示.
建设计及施工 现场资料收票 大先现增调查 典型然痛试治 建筑火灾温度场 温度分析方块股证 构件温度场 企过程分析方法验 火灾与荷载合 全过程分析 后力学性能试验 构温度及火灾 火央后结构及构 件承力、厕度 和变形等 图2TVCC火灾后力学性能评估总体评估思路
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3火灾现场调查及数值模拟 对火灾后的建筑进行性能评估最基础和最重要的工作是确定当时实际的火灾温度场.
确定火灾温度场 一般通过下面几种方法综合确定.
第一种方法根据室内燃烧的可燃物数量和房间的大小及开口情况，根据 各种火灾燃烧模型确定火灾温度场.
火灾燃烧模型包括经验模型、区域模型和场模型三类，其中场模型最 为复杂，计算耗费时间最多，计算结果最精确.
第二种方法是根据室内各种典型的火灾后物理和化学现象 确定火灾的过火最高温度.
第三种方法是根据混凝土结构或钢结构表面颜色和烧损现象确定混凝土结构和 钢结构表面的过火最高温度.
TVCC发生火灾时，建筑外立面保温层首先发生燃烧，然后火通过洞口蔓延至建筑内部，导致了火灾 在建筑内部的蔓延.
在建筑内部，由于当时正处于内部装修阶段，楼内堆放着各种可燃材料，火灾不仅在 房间内蔓延，也在楼梯间及走廊内蔓延，规模较大.
为了全面评价火灾对建筑内外的损伤情况，需要对当 时建筑整体的火灾蔓延情况进行再现和模拟.
本文采用专业火灾模拟软件FDS建立建筑整体火灾模拟的 CFD计算模型，该模型计算网格数量为1000万，计算时对重点关注的区域网格进行局部细化.
由于受到计 算机计算能力的限制，该计算模型能分别进行建筑外立面、建筑每层的火灾数值模拟.
利用该计算模型实 现了建筑每层内的火灾模拟和建筑外部火灾的数值模拟.
建筑整体火灾数值模拟的FDS计算模型如图3所 示.
起火时间r为900s时建筑整体外立面火灾的蔓延过程的数值模拟结果如图4所示.
第9层火灾蔓延时温度 场如图5所示，图中以本楼层火灾发生的时间作为零点的开始记录的时间（)作为火灾时间.
经过与火灾调 查的结果进行对比分析表明，数值模拟结果与调查结果基本吻合.
图3建筑整体FDS火灾计算模型 图4建筑外立面火灾蔓延数值模拟结果 r=300s t=600s 图5第9层火灾蔓延温度场数值模拟结果 4火灾与荷载耦合分析方法
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 实际住宅等建筑结构在火灾下一般都承受荷载作用，如结构承受竖向荷载（N）等.
随着温度（7）的 升高，由于热膨胀和材料的力学性能劣化，结构会变形逐渐增大.
随着可燃物逐渐燃烧殆尽，环境进入降 温段，这时随着受火时间（r）的增长，室内温度不断降低.
经历过火灾后的结构，钢材的强度可得到不同 程度的恢复，而混凝土的强度可能更加劣化，结构变形可以得到一定程度的恢复，受火后的结构还具有一 定承载能力.
可见，火灾和荷载耦合作用下需要考虑荷载、温度和时间的耦合路径，才能更准确地反映实 际结构在火灾后的工作特点.
例如，在全过程火灾升降温曲线作用下框架结构的荷载（N）、温度（T） 和时间（t）的路径如图6所示，图中7为初始环境温度，N为升降温过程中结构承受的荷载，4和h'为升 降温分界时间.
建筑发生火灾时（后）结构实际经历的是图中A'→B'→C'→D'一E'这样一种时间- 荷载-温度路径，其中D’一E’为火灾后结构承载至破坏的阶段.
由于火灾后材料当前温度为常温，但材 料性能主要与材料曾经经历的温度历史特别是最高温度有关，因此，火灾后构件的力学性能与它曾经的温 度历史有关，在具体的分析过程中通过在ABAQUS软件平台上进行二次开发，编制用户自定义常变量子程 序实现火灾下与火灾后温度场对材料性能的影响.
V E' N 升温电线 降温线 图6结构的荷载、温度和时间耦合作用路径 在TVCC建筑结构火灾后力学性能评估时依据上述评估思路，考虑火灾升降温及火灾后的火灾全过程 作用以及火灾与荷载的耦合作用进行评估的.
这种评估方法最大程度上考虑了结构与火灾的耦合作用，与 实际最为接近，从而保证了评估结果的正确性与可靠性.
5整体结构的火灾全过程反应分析 建筑结构是由构件连接而成，各构件之间存在较强的相互作用，建筑究结构火灾下及火灾后的性能需 要考虑结构的整体作用，建立整体结构的计算模型.
本文中建立了考虑结构整体作用的TVCC受火部分子 结构空间三维计算模型，为精确地分析建筑结构的火灾提供了方法.
火灾对结构将产生两种效应：第一种为火灾导致结构及构件的承载能力降低：第二种为火灾将使建筑 结构产生残余内力和残余变形.
火灾作用下，构件材料性能发生劣化，导致构件的承载能力降低.
另外， 由于建筑结构为多次超静定结构，如果火灾过程中建筑结构构件发生塑性变形，火灾后结构的塑性变形不 能恢复，结构内部将出现残余内力和残余变形.
对于发生火灾的建筑结构，这种残余内力和残余变形与恒 载效应类似，一旦发生火灾之后就永远存在，其荷载效应的荷载分项系数应该与恒载相同.
对于火灾后建 筑结构的力学性能评估就是围绕结构及构件火灾后的承载能力和结构的残余内力和残余变形两个问题展 开的.
通过对整体建筑结构的火灾全过程反应分析，一方面可以获得火灾升降温过程中在结构内部产生的残 余内力和残余变形，称为火灾效应.
火灾效应和其他荷载效应进行组合后形成结构或构件的效应设计值， 在此基础上可完成构件的火灾后承载能力及结构的变形验算.
另一方面，通过对整体建筑结构火灾下及火
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 灾后的分析可以直接完成整体结构火灾后承载能力和变形验算.
火灾后结构的残余内力和残余变形需要进行整体结构在火灾和荷载耦合作用下的分析，这就需要建立 整体结构的计算模型，进行整体结构火灾作用下的非线性分析.
整体结构的非线性分析的建模和分析都需 要非常大的工作量.
实际上，该超高层建筑只有十几个楼层发生火灾，其余多数楼层均没有发生火灾，没 有发生火灾的楼层可以看作是发生火灾楼层的边界约束，只分析发生火灾的楼层建筑结构.
这样，就可以 把模型的规模降低，计算难度相应降低.
本项目评估中，分别建立受火部分的结构的整体计算模型，对受 火部分的结构进行了考虑结构整体作用的分析.
整体结构的火灾全过程反应分析过程可分为火灾升温阶段、火灾降温阶段和火灾后常温加载三个连续 的分析阶段.
前两个阶段分析火灾升降温作用下结构的反应，可计算出火灾升降温作用后结构产生的火灾 效应.
在构件验算阶段，火灾效应需要和其他效应进行组合，进行构件的承载能力验算.
第三个阶段为分 析经历火灾的结构在火灾后的常温下加载至破坏的阶段，可验算火灾后整体结构的承载能力和变形.
在 TVCC的评估过程中，针对受火部分建立了计算模型，分析了受火部分的火灾反应.
下面列举了一些计算 模型及部分计算结果.
TVCC上部悬挂钢结构的计算模型如图7所示，受火时间r为60min时悬挂钢结构的竖 向位移云图如图8所示.
上部钢桁架结构的整体计算模型如图9所示，火灾后竖向荷载标准组合作用下上部 钢桁架结构竖向位移云图如图10所示，图中U3表示竖向位移.
TVCC裙房的展览大厅计算模型如图11所示.
269 5 图7悬挂钢结构计算模型 图8悬挂钢结构受火60min的竖向位移（m） 图9上部钢析架结构计算模型 图10火灾后钢桁架结构竖向位移云图（m) 图11TVCC裙房-展览大厅 6火灾后构件承载能力验算
