1.1　建筑室内火灾特性

处于火灾环境中的结构，其反应是从起火时就开始的。可燃物质一旦着火燃烧，释放出的热量经对流、辐射作用于结构表面，再由热传导传向结构内部，从而在结构内部形成一非均匀的温度场，即引起结构的温度反应；升温的结构材料发生一系列物理化学变化导致其力学性能的改变，使结构强度、刚度和变形能力发生变化而引起力学反应。各种钢筋混凝土构件是钢筋混凝土建筑物最基本的结构单元，研究高温作用下构件的温度场，分析构件内部经历的温度分布，了解火灾时构件内部温度变化的规律，有助于判定构件内部损伤程度、损伤疏松层厚度，可以为火灾建筑物的鉴定评估和修复加固工程提供基础依据。为了进行结构构件的温度场分析计算，需先了解建筑室内火灾的特性和规律以及混凝土材料随温度变化的热工参数的情况。

1.1.1　建筑室内火灾的发展过程和特性

火的实质是可燃物质经过点火触发后，与空气中的氧气发生激烈作用而形成的一种燃烧现象。室内火灾常常是从某种可燃固体着火开始的，可燃物在燃烧过程中产生大量的热量，并向周围扩散，使周围的空气和物质的温度升高，甚至引发新的燃烧，散发更多的热量。当燃烧失控后，随着高温焰气的流动、热量的传播，相继引发更多的附近物质普遍燃烧，即形成火灾。

室内火灾的发展过程有一定的特点和规律性，一般经过三个阶段，即火灾初期、火灾旺盛期（轰燃）和火灾衰减期（熄灭）。室内平均温度（即火灾温度T）是表征火灾燃烧强度的重要指标，因此，常以温度随时间变化的情况来描述室内火灾的发展过程，如图1-1中曲线2所示。

图1-1中曲线1所示的是国际标准升温曲线。标准升温曲线忽略了火灾的初起阶段（火灾初期）和衰减熄灭（火灾衰减期）阶段，主要模拟了火灾的发展阶段（火灾旺盛期）。

①火灾初期　或称火灾初始增长期，只有少量可燃物在燃烧，着火区的平均温度低，而且燃烧速度较慢，对建筑结构的破坏力也较低。这是火灾的第一阶段。

②火灾旺盛期　随着燃烧时间的延长，火灾规模扩大，并导致火灾区全面燃烧，即轰燃，标志着火灾进入第二阶段——旺盛期。这时可燃物充分燃烧，火灾区内的平均温度急剧上升；轰燃后空气从破损的门窗进入起火区，使火灾区域内所有的可燃物全部进入燃烧，并且火焰充满整个空间，火灾温度随时间的延长而持续上升，在可燃物即将烧尽时达到最高温度（T_max），一般可达1100℃左右，破坏力很强，可以严重地损害室内设备，使建筑结构持续快速升温，并达到最高温度。与之相应，结构和构件的承载力和变形性能迅速劣化，发生不同程度的损伤，甚至造成建筑物部分或全部倒塌，对建筑结构产生严重威胁。这是火灾中最危险的阶段。

③火灾衰减期　经过火灾旺盛期后，火灾区内可燃物大都被烧尽，火灾温度逐渐降低，直至熄灭。一般把火灾温度降低到最高值的80%（0.8T_max）作为火灾旺盛期与衰减期的分界，这一阶段虽然有焰燃烧停止，但火焰的余热还能维持一段时间的高温，衰减期温度下降速度比较慢。

进入火灾第三阶段初期，随着空气温度的逐渐下降，结构表层的温度不再增高，但温度的绝对值仍高，且经过了较长时间的持续高温，结构性能仍可能继续劣化，使损伤加重。当火灾熄灭、室内恢复常温后，结构混凝土在高温时的损伤不能恢复，强度继续有所下降，即混凝土高温后强度比高温时低。钢筋的屈服强度虽然可恢复，但高温时的变形不能恢复。故火灾后，结构有较大的残余变形、裂缝和局部爆裂等严重损伤现象，结构的剩余承载力也将有不同程度的降低。

1.1.2　影响火灾温度的因素

室内火灾各不相同，主要受室内可燃物的种类、性质和数量，壁面和通风口的大小和位置以及建筑材料的热工性能等因素的影响。它们之间存在着复杂的相互作用，从而形成不同损伤状况的各种室内火灾。

火灾旺盛期的持续时间和火灾温度主要与室内可燃物种类、性质和数量有关。可燃物数量越多，燃烧时间则越长；单位发热量高的可燃物越多，室内温度则越高。此外，火灾旺盛期的持续时间和火灾温度也与室内通风条件有很大的关系。门窗开口面积越大，通风条件越好，氧气供给越充足，火灾温度越高，燃烧时间则越短。反之，燃烧时间长而温度低。

①室内可燃物种类、性质和数量（热荷因子）　各种可燃物的品种和性质不同，必有不同的燃烧性能，即不同的起燃温度、燃烧速率和单位质量燃烧时发出的热量值。

可燃物的数量决定燃烧时的总发热量、火灾温度和火灾持续时间。

可燃物的分布状况，如集中、连续或分散分布，密实或疏松堆置，堆置的高度和面积等都影响燃烧速率、火灾的集中程度以及火灾的蔓延情况等。

火灾中，决定火灾持续时间长短的最主要因素是建筑物内可燃物的数量。建筑物内可燃物一般分为固定可燃物和容载可燃物两类。固定可燃物是指由可燃材料组成的建筑构件、装饰面层以及木制门窗和固定家具等，其数量可通过设计图纸直接获得。容载可燃物是指室内存放的可燃物，其数量和种类变化很大，难以准确估计，一般由调查统计确定。

每平方米地板面积上平均可燃物的总热值称为火灾荷载（单位为MJ/m²）。因此火灾荷载的确定主要是确定容载可燃物。

②室内通风条件（通风因子）　房间的面积和形状、门窗洞口的面积和位置影响室内的通风情况，从而影响燃烧速率和室内温度的升高程度。

当通风口很小时，外界空气流入困难，燃烧不强烈，燃烧速率也很低；通风口较大时，空气供应充分，燃烧强度较大，这样室内既有较高的温度，又有较好的通风，燃烧速率便较大，在两者配合最合适的情况下，燃烧速率达到最大值。之后通风口再增大，就会造成热烟气层减薄、经过通风口向外的辐射散热增加，使室内平均温度降低，并使燃烧速率降低。

通过研究通风条件对室内火灾发展的影响，发现燃烧速率（用可燃物的质量损失速率表示，单位为kg/min）与参数之间大致呈线性关系：

　　（1-1）

式中，A_w为通风口的面积，m²；H为通风口的自身高度，m。目前已被作为研究室内火灾发展的基本参数，一般称为通风因子。上述公式只在一定的范围内适用，且公式中的常数值是由可燃物的类型决定的。因此，在上述范围内，可燃物的燃烧速率由流入室内的空气流率决定，为通风控制燃烧。如果通风因子不断增大，将会出现燃烧速率与通风因子无关，而成为燃料控制燃烧的状况。

1.1.3　建筑材料的热效应

发生火灾时室内和周围的建筑材料，若为可燃性物质，就会助长火灾的发展；若质量热容值（或称比热容）很小，则吸收热量少而温度升高快；若热导率值大，则传热快，温度升高快，甚至使房间外侧的温度过高而造成火灾蔓延。

1.1.4　标准火灾温-时曲线

由于建筑火灾的复杂性，使实际建筑物火灾的温-时曲线有很大的随机性。国际标准化组织（ISO 834）建议的标准火灾温-时曲线为：T=T₀+345lg（8t+1）。如前所述，它是一种人为设计的炉内燃烧状态，通过控制燃料（煤气或燃油）流率，炉内气体的温度可按预定的规律变化。标准火灾温-时曲线是总结室内火灾的发展规律，人为理想化了的曲线，在一定程度上反映室内火灾的发展规律。作为一个标准，它在结构构件的高温性能分析、抗火试验或耐火极限验算中统一应用，可使结构构件的分析和计算具有一致性和可比性。我国以标准火灾温-时曲线为标准。