伦敦大火与结构体系抗火性能研究需求

(图片来源www.thesun.co.uk)

1 引言

国际知名灾害保险公司RMS Chief Research Officer Robert Muir-Wood近日对伦敦大火发表了他的观点

“一个公寓楼火灾是如何衍变成一场灾难的”

（刁梦竹、李易译，有节选）

“现实中很难发现比灾难更鲜活的例子了。位于伦敦北肯辛顿共24层高的格伦费尔大厦，其火灾风险管理总方案的细节显示，整个计划的核心是以每座塔楼的120套公寓都各安装有一个防火门为前提假设。这样以来，无论发生任何火灾，火势都会被控制到足够长时间，以便消防队到达。并且与此同时，在未受火灾影响区域的居住人群都可以有序地撤离大楼。作为一座混凝土建筑物，因其混凝土楼板和隔墙的存在，设计认为火势也很难迅速蔓延。

“然而，据报道，由于本栋建筑物外墙使用了隔热板，这很有可能将建筑物的风险提升到一个新的灾难水平高度。这些面板被设计用来减少建筑物的热损失以及改善外观，但报告显示面板采用了可能具有易燃性的铝箔绝缘材料作为绝热材料。因此，据初步报道显示，建筑物的火灾风险就可能由最大损失为一间公寓升级到整栋公寓楼受火——也就是一场真正的灾难。灾难带来的潜在风险也改变了相应的居民应对措施——住户不应再是守在自己的公寓里，而是要以最快的速度离开大楼。

“在高层建筑采用新的保温隔热材料带来的相关风险这方面，已经有诸多警告。自2000年以来，中国已经成为世界范围内拥有超高层建筑最多的国家，同时也是面层隔热板的主要生产大国。来自公安部天津消防研究所2013年的研究确认了几栋高层建筑的火灾也是通过外墙覆盖的保温层迅速蔓延开来的。包括2009年TVCC火灾，2010年上海胶东路火灾，2011年沈阳皇朝万鑫大厦火灾等

“在世界范围内，中国的这些火灾经验教训也并没有得到足够的重视和关注。2014年11月，澳大利亚墨尔本维多利亚港区一个名为Lacrosse的住宅建筑也发生了一场火灾，大火起初由二层阳台上的一个烟头引发，随后通过中保温层迅速蔓延至20层。大火导致上百人被迫撤离，所幸无人伤亡，主要是由于火势并没有扩展到建筑内部。然而，澳大利亚工会和消防专家称，“…廉价的建筑材料把高层公寓楼变成了'定时炸弹'”。

http://www.rms.com/blog/2017/06/16/how-does-an-apartment-fire-turn-into-a-catastrophe/

2 火灾下结构体系行为的研究

正如上文所说，现阶段世界范围内大量存在采用防火能力不足的保温材料建设的建筑。这些建筑还将继续服役很久，对其保温材料进行全部更换是非常困难的（想想看把2011年前的所有建筑的保温材料全部更换的工作量）。现阶段火灾研究一般认为防火分区可以将火灾限制在一个有限区域中，因此结构耐火研究多以局部构件火灾研究为主。然而，从这次伦敦大火，以及以往很多火灾案例可以看出，建筑内部遭受大范围火灾作用的风险是客观存在的。根据维基百科对结构的定义：“A structure is a body or assemblage of bodies in space to form a system capable of supporting loads”。结构是一个体系、一个系统，特别是在大范围火灾作用下，系统的构件之间会产生显著的互相影响，此时构件试验不足以保障结构体系的抗火性能。例如，“911”纽约世贸大厦案例，一些研究报告就指出：火灾导致大厦的水平受力构件火灾下发生变形（图1），变形引起的水平拉力在竖向构件里面导致显著的附加弯矩，加重了结构的倒塌风险。

图1 “911”纽约世贸大厦倒塌（Courtesy A Usmani）

我们课题组在973计划项目“城市高层建筑重大火灾防控关键基础问题研究”支持下，开展了一些结构体系抗火性能的初步研究，通过开发可用于复杂结构体系火灾分析的纤维梁单元和分层壳单元（图2），可以开展整体钢筋混凝土结构在火灾下的倒塌模拟（可以从网址：

http://www.luxinzheng.net/download/FireModel/Figure6.14_6.16_Obj.zip http://www.luxinzheng.net/download/FireModel/Figure6.19_6.20_OBJ.zip下载）。

图2 火灾纤维梁单元和分层壳单元(李易等，2012)

下载网址：

http://www.luxinzheng.net/download/FireModel/Figure6.14_6.16_Obj.zip

http://www.luxinzheng.net/download/FireModel/Figure6.19_6.20_OBJ.zip

我们对某高层混凝土结构进行了大范围火灾作用模拟（图3），图4所示为模拟得到的连续倒塌过程。图5、图6所示为对结构倒塌机理的一些分析，以及内力重分布的一些机理研究。

图3 分析对象高层建筑

图4 倒塌过程动画

图5 倒塌机理分析

图6 内力重分布机理

在高层建筑中，由于构件之间的互相约束，其内力变化非常复杂，有时约束内力可以提高结构的抗力，例如形成悬链线机制。有时候约束内力可能降低结构抗力，例如图5中框架柱就是在框架梁热膨胀内力作用下破坏的。当然，对于高层结构而言，由于其柱子截面尺寸较大，火灾倒塌的风险相对小一些，例如这次伦敦大火结构就幸免于倒塌。我们的分析也表明，需要非常猛烈的火灾荷载（大范围10小时以上），才可能导致高层混凝土建筑倒塌。但是对于多层建筑而言，其倒塌的风险就要大很多，例如图7所示的多层建筑火灾倒塌模拟。多层建筑火灾倒塌同样存在构件间的相互影响，特别是类似这次伦敦大火这样的大范围火灾作用下。我们课题组相关研究资料可以参考http://www.luxinzheng.net/research/cnFireCollapse.html 

图7 多层建筑火灾倒塌模拟

因此，结构整体体系抗火行为研究非常重要，而现阶段这方面的研究还有待进一步加强。

3 相关研究