随着社会的不断发展，建筑结构的数量不断增加，建筑物火灾逐渐成为自然灾害和人为灾害中的主要危害之一[1]。当火灾发生时，随着温度的升高，混凝土会经历复杂的物理和化学变化[2]，[3]，如自由热应变、瞬态热蠕变以及不同程度的剥落[4]。这些过程显著影响结构的承载能力和耐火性能[5]，[6]。在这些热-机械耦合效应的作用下，结构构件内部会发生较大的变形和严重的内力重分布，从而大大削弱结构性能，可能导致灾难性倒塌[7]。
此外，当消防员进入燃烧的建筑物进行灭火和救援作业时，暴露在火灾中的构件会因与水的接触而迅速冷却。这种突然的温度变化会引发热冲击[8]，[9]，[10]，这不仅会加剧材料退化，在严重情况下还会加速结构倒塌。除了此类故障造成的直接经济损失[11]，[12]，火灾期间发生的倒塌还经常导致救援人员伤亡。根据香港消防处2025年的数据统计，当年火灾造成168人死亡，79人受伤。这些数字凸显了火灾事件的持续社会危害性以及提高火灾后救援安全性的重要性。为了便于理解和数据获取，表1[13]，[14]，[15]仅包含了与火灾期间结构倒塌直接相关的代表性案例。从这些案例中得出的教训表明，迫切需要系统地研究火灾期间结构倒塌的机制和预防措施。
近年来，在钢筋混凝土（RC）结构倒塌分析方面取得了显著进展[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。然而，大多数研究集中在地震引起的倒塌[21]，[22]，[23]，[24]或加热阶段火灾引起的倒塌[12]，[25]，[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，而对冷却阶段的影响则关注较少。Franssen[32]是最早研究混凝土在冷却阶段响应的研究者之一，通过实验获得了未受约束混凝土试样在加热和冷却过程中的热伸长率。Nassif[10]对硅质骨料混凝土圆柱体进行了18种不同加热和冷却方案下的火灾测试，使用刚度损伤评估、超声波脉冲速度和岩石学分析来评估内部裂纹的程度。研究表明，长时间加热和快速水淬都会导致试样的刚度进一步下降。Peng等人[8]实验研究了纤维增强混凝土在高温和随后的热冲击下的残余力学性能。结果表明，与自然冷却相比，水淬或喷水引起的热冲击会导致更严重的损伤，以及压缩强度、抗拉强度和断裂能量的更大损失。
除了材料层面的研究外，后来的研究开始关注构件层面。Dimia等人[33]研究了RC柱在自然火灾条件下的倒塌过程，发现核心区域的温度上升延迟和冷却过程中的进一步混凝土强度损失是柱子失效的主要原因[34]。Gernay[35]也强调混凝土的热惯性可能导致RC结构在冷却过程中或之后延迟失效，并提出了一种量化这种倾向的指标。Pul等人[36]开发了一种先进的电炉和冷却系统，用于在恒定轴向载荷下测试RC柱，并证明了混凝土强度、加热时间和冷却方法对柱子的刚度和承载能力有显著影响。Gernay等人[37]后来提出了一种评估烧毁抵抗力的实验方法，发现RC柱在冷却阶段仍承受载荷时可能会提前失效。在后续研究中，提出了一种数值方法[38]来模拟RC柱、梁和墙在自然火灾下的行为，包括冷却阶段。在结构层面，很少有研究关注冷却阶段对火灾引起的倒塌的影响。Behnam39，[40]发现跨度较大的结构在冷却过程中比跨度较小的结构更容易倒塌，强调了结构配置在火灾后稳定性中的重要性。
从上述文献综述中可以得出，以往的研究主要集中在材料和构件尺度上，而关于RC建筑在冷却阶段整体结构倒塌的综合性研究仍然很少。为了填补这一空白，本研究开发了一种基于热机械损伤的RC结构倒塌分析方法，该方法明确考虑了冷却阶段，即一个直接模拟的火灾熄灭后阶段（冷却过程中的瞬态热传递和热机械响应），而不是从冷却后的单一残余状态推断出来的。该方法基于混凝土[41]和钢材[42]的基于能量的本构模型，考虑了温度依赖的退化和热冲击效应。
本文的其余部分安排如下：第2节介绍了混凝土和钢材的本构模型，并描述了考虑冷却阶段的倒塌分析框架。第3节通过RC柱的防火性能测试验证了模型的适用性和准确性。第4节将模型应用于平面RC框架，分析其在火灾下的损伤和失效演变。第5节将分析扩展到空间RC框架，研究冷却阶段对倒塌时间的影响。最后，第6节总结了本研究的主要发现和结论。
