1 概述
高耸结构指的是高度较大、横断面相对较小的结构；一般以水平荷载，特别是风荷载为结构设计的主要依据。由于高耸结构普遍较高，垂直距离较长，塔内功能复杂人员集中(多为观光结构)，在遇到火灾的情况下，人员不宜疏散且消防人员登高扑救困难。加之高耸结构多为全钢结构，使其火灾危险性大大增加。高耸结构中常见的钢结构电视塔的火灾主要发生在塔楼部分，一般距地面200m以上，而且设有旋转餐厅、游览观光层、设备用房等。在钢结构无防火保护或防火保护不彻底的情况下，火灾可能引起整个电视塔的结构性坍塌。从已有火灾资料来看，引起火灾的原因主要有以下几种情况：
(1)电路设备老化。2000年，塔高540米的欧洲最高的电视塔，也是俄罗斯莫斯科市最著名的观光景点奥斯坦金诺电视塔突然起火燃烧，导致全市电视节目停播。据事后调查分析，火灾的原因在于传输发射信号的高能电缆明显超负荷所致，电视塔内部电缆馈线过载使电缆过热起火，而起火后3个小时才关闭电源则导致了火势的蔓延。火灾产生的高温使电视塔的加固钢索受到不同程度的损坏。大火同时将电视塔的一个工作层彻底烧毁，一根距地面136米处的主要承重钢梁也受到严重损坏。
(2)雷击。由于高耸结构普遍较高，雷击也是引起火灾的一个重要原因。2002年，位于沈阳市沈河区青年大街与滨河路交汇处的辽宁彩电塔内部40米至60米处起火，经消防官兵2个多小时的全力扑救，火势被控制无人员伤亡。此外，2010年4月13日，上海东方明珠塔顶部起火，1小时20分钟之后，扑救工作才基本结束。塔顶起火的原因是因为强雷击中塔顶发射天线，引起天线外罩燃烧。
(3)人为因素。施工引起的火灾正逐渐成为高耸结构火灾的主要原因之一。2009年，广州新电视塔因工人违章烧焊，引燃内部装修材料。起火点位于新电视塔楼约334米高的65层，短时间燃烧面积达300平方米，几公里外均可见塔身冒出滚滚浓烟。
2 结构材料抗火研究
火灾对建筑物的影响源于火灾高温对结构材料的性能特别是力学性能具有显著的影响。如结构钢的屈服强度和弹性模量随温度的上升而下降，当温度超过550℃时，普通结构用钢材将丧失部分强度和刚度。火灾时，建筑室内的空气温度半小时内可达800～1200℃，因此，无保护的钢结构在火灾中极易受到损害。另外，混凝土在火灾高温下会爆裂，其强度和刚度也会降低。2001年“9.11”事件中纽约世贸中心两座110层411高的钢结构大楼因飞机撞击后发生的火灾而倒塌，造成2830人死亡。2001年5月台湾东方科学园钢结构大楼(30层)发生火灾，顶部数层的钢梁发生局部屈曲，楼层最大挠度达30cm以上，钢梁与钢柱连接发生断裂破坏。火灾造成的结构破坏，除造成人员伤亡以及直接经济损失外，还可能造成更大因结构功能失效的间接经济损失。国内外统计表明，火灾引起结构失效造成的间接经济损失，约为火灾直接损失的3倍。可见，进行结构抗火理论研究有重要意义，通过系统的理论研究，建立科学的结构抗火设计方法，以避免因结构在火灾中破坏或倒塌所造成的人员伤亡，并减少因结构在火灾中的破坏或倒塌所造成的经济损失。
2.1 混凝土结构抗火研究
为保证结构抗火安全，国际上从20世纪50年代开始重视结构抗火研究。波特兰水泥协会、美国混凝土协会，美国预应力混凝土协会、欧洲国际混凝土协会先后成立混凝土结构抗火研究小组，主要研究了混凝土的高温材性，梁、柱和楼板的抗火性能与计算方法及框架的火灾反应。国内也对混凝土的受火性能及反应进行了一系列研究。
国内外学者都给出了混凝土和高强度混凝土的热工性能(导热系数、比热、质量密度和热膨胀系数)的函数表达式。由于实验方法的不一致和材料本身的离散性，不同学者给出的函数表达式大致规律基本相同，但相互之间偏差较大，故在此不再赘述。此外，有关混凝土表面与周围气体的对流换热系数和辐射换热系数，不同学者给出的结果偏差也较大。国内外学者对高温下混凝土的力学特性进行了大量研究。实验结果表明，高温下混凝土的力学性能总体上呈现随温度升高逐渐劣化的趋势。主要表现为随着温度的升高，混凝土的强度和弹性模量逐渐降低—其中弹性模量的降低速率通常比强度更大，混凝土的峰值应变逐渐增大，混凝土的单轴应力应变曲线越来越扁平，钢筋和混凝土的粘结强度下降，极限滑移量增加，混凝土的徐变明显加快，在高温下会产生瞬态热应变。高温下混凝土在多轴应力状态下的抗压强度也有相关的试验研究报道，在相应的应力比和温度水平下，混凝土的双轴抗压强度要高于相应的单轴抗压强度。目前尚未见高温下混凝土三轴应力状态下的强度试验研究报道。温度应力途径对混凝土的高温本构关系影响较大。高温下混凝土的本构关系是混凝土高温数值模拟的基础，混凝土的高温本构关系研究一直是国内外研究的热点。图1和图2分别给出了高温后混凝土应力-应变特性曲线和40MPa混凝土高温后应力-应变曲线试验与理论计算的对比结果。
由于高强度混凝土的内部微观结构非常致密，阻碍了高温下内部蒸汽压力的有效释放，导致火灾过程中常常出现严重的爆裂现象。试验结果表明，火灾作用下高强度混凝土构件的表面爆裂深度常常可涵盖整个钢筋保护层。爆裂问题的关键是定量确定爆裂发生的时间和爆裂深度。由于影响高强度混凝土高温爆裂的因素十分复杂，如含水率、升温速率、水灰比、混凝土强度等级、外加预应力、构件截面尺寸、骨料种类、钢筋保护层厚度、养护方式、养护时间等。目前国内外学者虽然进行了大量试验，但试验结果比较离散，尚无法较准确地建立起爆裂发生时间及爆裂深度与各主要影响因素之间的定量关系。目前国际上已有能够测量混凝土内部蒸汽压的试验装置，以及模拟混凝土内部温度分布和蒸汽压力分布的热和质量传递耦合数学模型，这些为火灾下高强混凝土爆裂机理的深入研究奠定了基础。
2.2 钢结构抗火研究
掌握高温条件下结构钢的性能是确定火灾下钢结构的结构性能的必要条件。与钢结构抗火有关的材料特性主要包括强度(屈服强度、极限强度)、弹性模量、热膨胀系数、应力-应变关系及热传导系数和比热等热工参数。
国内外对高温下结构钢的材料特性进行较多的试验研究，绝大部分的是进行恒温条件的拉伸试验，另有少量的恒载条件下的升温试验，试验得到了常用的结构钢的屈服强度和极限强度与温度的关系，分别以表格和拟合公式的形式给出，由于高温条件下结构钢的应力-应变关系呈现很强的非线性，而对高温下钢结构构件的变形限制普遍比较宽松，因此对于如何确定高温下结构钢的屈服强度没有统一的标准，导致各试验得出高温下结构钢的屈服强度相差比较大，尤其是在400～550℃范围时，所得的屈服强度折减系数相差很大，BSI标注和Euro code采用的是对应不同应变标准的屈服强度，而极限抗拉强度的结果都比较接近。有关结构钢在高温下完整的应力-应变关系的试验数据报道不多，关于弹性模量的试验细节报道也不多，普遍应用的是ECCS建议中采用的结果。我国对常用的Q235、Q345钢及I、II级混凝土用钢筋在高温下的性能进行了试验研究，积累了不少试验数据，由于对应变传感器的要求比较高，目前国内外对于高温下结构钢材料特性参数的取值都是各自根据自己的试验结果进行统计拟合得到，以表格和拟合公式的形式给出，确定这些参数还没有查到有文献对高温下材料强度取值的可靠度水平进行分析和考虑。
热膨胀系数是结构抗火性能中一个很重要的参数，材料热膨胀系数的测试对测试仪器的传感器精度有很高的要求，目前国内外对结构钢和高强螺栓材料的热膨胀系数进行过测试，结构钢的膨胀系数随温度变化，温度越高热膨胀系数越大。关于高温条件下结构材料的蠕变性能，国外曾进行相应的试验研究，研究结果也被BSI和Euro code等标准采纳，一般认为当钢材的温度不超过600℃，升温速度不小于5℃.min-1时，蠕变可以不单独考虑，而隐含在标准的应力-应变关系中，但是实际火灾中，钢材的温度和升温速度可能要超过这个范围，日本学者给出高温下结构钢的蠕变的计算方法。但是总的来说，对高温钢结构材料的蠕变性能的研究不是很充分，尤其在预应力结构中，材料的蠕变和松弛对结构的性能有重要影响。图3给出了钢材的高温屈服强度与室温屈服强度之比以及高温弹性模量与室温弹性模量之比。
目前进行钢结构材料高温特性试验都是在按恒温加载或恒温两种温度荷载路径进行，试验结果的表达也是主要给出单一温度下的材料特性参数和应力-应变-温度关系函数，但因高温下结构钢呈现很强的塑性，应力-应变关系本来就与荷载路径有关，同时还要考虑热膨胀的影响，要给出一个统一的应力—应变—温度函数非常困难，为便于应用，从塑性力学的原理，根据材料是出于加载或卸载状态给出应力—应变的增量关系应该更便于结构分析应用。
此外，国内外学者对钢构件的抗火性能、钢结构整体抗火性能，钢-混凝土组合结构抗火性能进行了一系列的实验研究和理论分析。
来源：中国建筑新闻网
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