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本文主要通过对钢结构火灾现场建筑构件的倒塌痕迹、变形痕迹、变色痕迹及熔化痕迹等方面的研究，归纳总结出行之有效的钢结构建筑火灾现场痕迹的识别技术，针对钢结构建筑火灾容易出现的大面积倒塌、现场挖掘勘验费时费力、起火部位起火点难以确定等问题提供解决方法与技术支持。
关键词：钢结构建筑；火灾；痕迹识别
钢结构系统具备强度高、自重轻、造价低、建设周期短等优势，已广泛应用于工业厂房、机场车库、体育场馆、购物中心等建筑，但此类建筑的火灾发生频率呈现逐年上升趋势，特别是重特大火灾时有发生。如1998年北京玉泉营环岛家具城火灾；2003年8月浙江台州飞跃集团股份公司火灾等。在火灾现场勘验过程中，由于建筑倒塌后现场的复杂性，给火灾原因认定带来了很大的困难。
钢材在高温作用下表现出特有的性质，钢结构建筑火灾现场也呈现出其特有的痕迹物证。通过对钢结构火灾现场建筑构件的倒塌痕迹、变形痕迹、变色痕迹及熔化痕迹等方面的研究，归纳总结出行之有效的钢结构建筑火灾现场痕迹的识别技术，针对钢结构建筑火灾容易出现的大面积倒塌、现场挖掘勘验费时费力、起火部位起火点难以确定等问题提供解决方法与技术支持。
钢结构是土木工程中非常重要的结构形式，在工业与民用建筑等土木工程中得到了广泛地应用。钢结构建筑主要包括单层或低层建筑、多层或高层建筑等，是以钢结构为骨架，配以具有防火、防水、隔声、隔热等功能的墙板和楼板拼装而成。钢结构的特点是强度高，质量小；韧性好，塑性强，抗震性能高；制造简单，施工周期短；钢构件受热易变形，导致建筑物倒塌。
在近现代钢材逐渐普及使用后，随之带来的钢结构建筑火灾频率的逐渐升高，1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严重破坏；2001年9月11日美国纽约世贸中心大楼南北楼分别被劫持客机撞击后发生大火，经过一个多小时的燃烧后南北楼相继倒塌。
研究表明，钢材强度随温度上升而逐渐下降，当温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降1/3、1/2和2/3；当温度超过700℃时，构件强度要减少80%此时钢结构建筑极易发生变形倒塌等。在实际中大部分钢结构建筑火灾常发生于仓库，仓房，商场，简易工棚等，空间跨度大，门窗多，通风好，可燃物料多，一旦发生火灾，火势会越烧越旺，在较短时间内火灾就会发展到猛烈阶段；此时由于钢材本身耐火极限低，导热速度又很快，在很短时间钢材强度将丧失殆尽，加之很多钢结构建筑的钢构件未采用防火涂料保护，即使采用了防火涂料的，因其质量不同而价格有高低，部分单位为节省投资选择质量差的防火涂料；且钢结构的主体设计使用年限一般是50年，而钢结构防火涂料的使用寿命远低于50年，企业一般不太可能自行在防火涂料失效后重新涂刷，这样就造成在钢结构使用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火作用。另外在某些厂房或是仓库、工棚类的钢结构，其墙体与屋面板采用的填充材料往往是聚氨酯和聚苯乙烯这两类耐火极限非常低的材料，当发生火灾时，往往会加速依附的钢构件升温，导致构件更快被破坏，建筑因此发生变形甚至倒塌。
因高层与超高层钢结构建筑火灾发生少，案例有限，且高层钢结构建筑火灾发生变形倒塌后，现场痕迹特征不明显，因此本论文以日常生活中常发生轻钢及大跨度钢结构建筑火灾现场痕迹识别着重讨论。
倒塌痕迹作为勘验火灾现场的一种重要痕迹物证，在钢结构建筑火灾中同样不容忽视。钢结构建筑构件的倒塌的形成，很大原因是由于钢材的高温力学性能的外在表现:钢材的刚度指的是钢材抵抗变形形变的能力大小，刚度K=EA/L,其中E为弹性模量，A为横截面积，L为垂直于截面长度。当在火灾现场中时，横截面积A其由于热胀冷缩的大小变化忽略不计，其弹性模量随温度升高而急剧降低，导致刚度K急剧减小，钢材刚度过小，无法抵抗变形保持原状。受火钢结构失稳发生变形倒塌等。
钢结构建筑火灾的倒塌痕迹作为建筑火灾痕迹的一种，它遵循建筑火灾的一个基本规律：即向着起火部位或迎着火灾火势蔓延来的方向倒塌，但钢结构倒塌痕迹的分析及证明作用又区别于其他火灾现场的倒塌痕迹，它有着自身特征。钢结构建筑的倒塌分为局部倒塌和整体倒塌，但无论是怎样的倒塌，都是一部分一部分的倒塌，一般不会一次性全部倒塌。钢结构建筑倒塌后，在火灾中由于其整体连接性好，受灭火影响位置变动较小。如现在使用广泛的许屋架建筑的屋面是由不燃材料彩钢板或镀锌铁皮制成，火灾后仍能较完整的保存现场，而不像木屋架建筑火灾后，受灭火及其他因素影响，屋顶塌落物位置变动较大。钢屋架建筑火灾中屋面的倒塌形状常见的有U形、斜面形、和梯形倒塌痕迹。
钢屋架建筑火灾中，如果建筑内的火灾荷载高，屋顶两侧出现相向倒塌时常常形成U形屋面倒塌形状，其特点是横梁与两侧柱仍然连接在一起。斜面形屋面倒塌形状是由于火灾发生在靠近建筑物一侧形成的。钢屋架建筑起火后，先被烧的部位由于靠建筑物的一侧，导致横梁与柱的连接点先失去强度，变形脱落形成斜面形屋面倒塌形状。在多跨建筑中，若钢屋架屋面大面积倒塌，屋面既有斜面形倒塌形状，又有U形倒塌形状，则火灾发生的部位肯定在U形屋面倒塌痕迹处，因为如果先产生的是斜面形倒塌形状，说明火灾蔓延的过程中，火势先烧到起火跨与临跨共用的立柱，这个共用的立柱与相邻的横梁连接点首先在高温作用下失去强度发生脱落，而在此种情况下的屋面倒塌形状肯定是斜面形，不符合U形倒塌形状的特征，所以应是有U形发展成斜面形。梯形屋面倒塌形状通常是由于横梁在柱的一侧支座处脱落或钢屋架建筑屋面斜面形倒塌后火灾继续向未脱落一侧蔓延形成的。
钢结构建筑构件变形的原因是钢的强度随火场温度升高而降低，钢材在升温初始阶段，弹性、塑性的变化不大，但在250℃左右时，钢材抗拉强度提高而冲击度韧性下降，这种现象叫做蓝脆现象(表面氧化膜呈现蓝色)。当温度超过300℃以后，屈服点和极限强度显著下降，达到500℃，其强度对比原来下降约一半，到达600℃时其强度对比原来下降了2/3。一般钢结构建筑在设计师，所考虑的常温下受荷载作用下截面应力值是屈服点的一半，因此，温度上升至500℃时，屈服强度下降到常温的一半时，构件发生塑性形变而破坏，到600℃时强度几乎殆尽。此时建筑在纵向压力和横向应力的双重作用下，钢结构就会发生扭曲变形。由于钢的热膨胀系数同样不小，在火灾中受热后膨胀比较严重，钢构件两端受限制或各面被固定的钢构件，也可能产生膨胀变形痕迹，膨胀程度同样受温度的高低的影响，温度越高，热膨胀程度越大，变形越大。
钢结构建筑构件在火灾中由于高温的作用，其强度逐渐降低，一般离起火部位越近，其强度相对于其他部位的钢构件及钢构件本身的其他部位降低的更多，在无外加载荷的情况下，表现为面向起火方向向下变形软化，当在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形。同时由于热膨胀作用，受火面的钢面热膨胀程度大于非受火面，钢构件向着非受火面弯曲变形。但一般热膨胀变化程度小于因强度减弱而造成的变形程度。
在火灾中，钢的迎火面首先受到火灾热作用，强度下降，在没有外加载荷作用的前提下，一般向着起火点变形，在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形，这是钢结构建筑构件变形痕迹证明作用的依据。钢结构建筑由各类钢构件通过高强度螺栓等连为一个整体，当某部分的钢构件在火灾现场受到高温火焰及热烟气等影响而发生变形时，必然带来以该构件为轴的局部范围的建筑构件变形。以一个轻钢结构建筑的基本承重单元——门式钢架为例，在火灾现场由于高温的作用，其梁、柱都将发生不同程度的变形，其变形的形式主要有两种：单向倾斜变形和两侧向中间变形。若起火部位靠近门式钢架立柱附近，火灾初期钢立柱直接受到火焰热辐射作用，塑性增加，而横梁受上升烟气700℃以上的高温作用，强度迅速下降；由于自身应力作用，门式钢架的梁和柱最先受热出向着起火点发生变形，而梁和柱的另一端离起火部位较远，受温度作用不大，钢材强度下降较之更小，但受到另一端变形形变的推应力作用，钢立柱向外弯曲，从而形成钢构件单向倾斜变形；如果起火部位位于门式钢架中部，在门式钢架这组合体中，由于火灾温度对两边立柱的作用基本相同，且由于悬浮热烟气的作用，钢梁受热后先于立柱失去承载能力而向着起火部位倾斜，同时，倾斜钢梁牵拉两边立柱向内倾斜，整个钢架形成两侧向中间倾斜的钢构件变形痕迹，其最终痕迹类似图3.5所示，钢结构由两边向中间倾斜。在整个火灾现场中，火灾温度作用范围随时间逐渐扩大，最初受到高温作用的一个或两个钢架变形发生，此时钢架组成的其余建筑部分还未发生变形，因此，变形钢架与未变形钢架通过连接构件相互牵拉，产生作用力与反作用力，这种作用形式，在火灾初期会在连接构件上留下明显痕迹。主要是起火部位两个门式钢架钢柱发生相向扭曲变形，或是起火部位附近钢架的连接构件被拉长，连接点被拉断。