浅谈钢结构抗火设计方法
摘要：从分析钢材高温下力学性能的变化及影响机理入手，概述了钢结构抗火的传统与现代设计方法的一般步骤及各自优缺点，并对抗火设计的发展趋势与现存问题进行总结。
关键词：钢结构抗火设计结构性能
0引言
长期以来，防火是建筑及结构设计师重点考虑的问题之一，如在建筑中设置防火墙和防火门等，即对建筑进行防火保护，其目的是为了减轻火灾损失，减少人员伤亡。而钢结构作为具有强度高、质量轻、抗震性能好、环境污染少、施工速度快等优点的材料，在建筑工程中发挥着重要的作用，尤其对于体育馆、机场、展览馆等大跨度结构，钢结构更是首选的结构形式。近年来，随着钢材产量的增加，钢结构建筑得到了广泛的推广，如北京国家大剧院、水立方等等。然而由于自身特性的限制，钢结构有一个不容忽视的缺陷——抗火性能差，一旦发生火灾结构受到破坏，后果不堪设想。这使得以钢结构的发展，以及其全新的结构形式和材料特性在建筑防火中遇到了新的挑战。
1钢材的材料特性、破坏机理及抗火设计的必要性
掌握高温条件下的钢材的性能是确定火灾下钢结构的结构性能的必要条件。钢材虽为非燃性材料，耐热性能高于钢筋混凝土，但其耐火性能较差，而钢结构的耐火极限即是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，到失去稳定性、完整性或绝热性为止这段抵抗火作用的时间，无防护措施的钢结构耐火极限只有15min左右。
与钢材抗火相关的材料特性主要包括强度、弹性模量、热膨胀系数、应力-
应变关系及热传导系数、比热等热工参数。在高温情况下，钢材的屈服强度、极限强度和弹性模量均随温度的升高而降低，而且屈服台阶越来越小。当温度在150℃以上时，就必须采取保护措施；在300-400℃时，钢材已无明显的屈服台阶，强
度开始迅速下降，且内部晶体结合方式发生变化导致塑性和韧性下降，出现明显蓝脆现象；接着当温度达到400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半；然后当温度高达600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度，高温钢材强度变化如
图1、2。但是一般火灾现场的温度都会高达800-1000℃，在这样的高温下裸露的钢结构构件强度会迅速降低，很快出现塑性变形，产生局部破坏，最终造成钢结构建筑物整体坍塌。
图1 yT
y f f 、T E E 随温度的变化（带T 下标的为高温下的钢材材料参数）
图2 钢结构在不同温度下的应力应变曲线
高温对钢材力学性能的影响从本质上来说是由于高温下钢材微观结构的变化导致的。当温度超过600℃后，钢材的微观组合结构将产生球化作用，使内部微观结构由珠光体的碳化铁薄片结合成为球状颗粒，随着温度的升高，
钢的微观
结构将转变为粗颗粒奥氏体，最终导致钢材出现强度损失。
国内外因为钢材受火灾破坏而导致结构整体破坏的例子很多，比如1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌； 1998年北京玉泉营家具城发生火灾，造成该建筑物整体倒塌。对于高层建筑而言，由于其“烟囱效应”使得火灾发生时火势很难控制，造成的危害更大，损失最大的莫过于2001年的“911”事件：2001年9月11日，美国纽约110层、高412m的世贸中心双塔楼遭受恐怖分子劫持的飞机撞击。在飞机撞楼后约一个小时，南北两塔楼原地坐塌，死亡和失踪人员约4000人，直接经济损失高达数百亿美元。而造成这么严重后果的原因是，撞击南北两塔楼的飞机均携带几十吨的高级航空燃油，当飞机撞进大楼之后，使得飞机油箱破裂，几十吨燃油迅速燃烧起来（图3），火灾使室内温度高达800℃～1400℃，造成被撞部分的钢结构体系因高温作用而失效，使得上部结构自然下落，巨大的冲击力导致大厦坍塌。由此可见，对钢结构的抗火性能的
研究已经成为工程界迫切需要解决的问题。
图3.“911”事件火灾现场
2钢结构抗火设计方法的研究
2.1基于试验的抗火设计方法
基于标准构件的试验方法即传统抗火设计方法，一般做标准梁或标准柱试验，施加设定的标准荷载，然后测定其在标准火灾升温条件下的耐火时间，最后判断是否满足规范规定的耐火极限要求。现行《高层民用建筑钢结构技术规程》规定，梁和柱的防火保护厚度宜直接采用实际构件的耐火试验数据，当构件的截面形状和尺寸与试验标准构件不同时，应按有关规定推算出保护层厚度。
这种抗火分析方法存在以下缺陷：
（1）将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大，一般构件受力越大，构件的耐火时间越小（图4）；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，未能考虑温度应力及变形影响、高温下结构内力重分布的影响，以及各构件相互作用的影响，即结构某一构件达到极限状态并不意味着整体
结构达到极限状态。
图4.构件受力与耐火时间的关系
（2）结构的耐火时间基于IS0834升温曲线确定，而现有的研究表明真实火灾与火荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关，ISO834曲线并不能反应火灾的真实情况。而火灾升温曲线对结构耐火时间有影响。
（3）传统的结构抗火设计是一种格式化的设计方式，规范对特定情况下的结构抗火设计要求作出了明确的规定，设计人员仅限于被动的选择，而未从人员安全逃生及结构性能要求的角度，考虑综合经济及生命损失最小的目标。
因此，这种方法过于简单，缺乏一定的科学性，此外由试验确定的耐火时间不能完全代表实际构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或偏于保守的后果。
2.2 基于构件计算的抗火设计方法
由于钢结构抗火试验的上述缺陷，人们试图通过计算进行钢结构的抗火设计。基于构件计算的抗火设计方法以高温下构件的承载力状态为耐火极限进行判断，考虑温度内力的影响。理论研究以有限元法为主，基本上能考虑任意荷载形式和端部约束状态的影响。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家(组织)的钢结构设计规范采用，我国上海市标准《钢结构防火技术规程》也采用这种方法。这种设计方法计算过程如下:
(1) 采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度；
(2) 计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；
(3) 采用高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力；
（4）进行荷载效应组合
；
(5) 根据构件和受载类型如轴心受压、受弯、偏心受压等，进行构件耐火承载力极限状态验算；
(6) 当设定的防火被覆辱度不合适时，可调整防火被覆厚度，重复上述(1)~ (5)步骤。
这种方法克服了基于试验设计方法的一些缺陷，但是还存在明显的不足之处: 结构是作为整体承受荷载，钢结构抗火设计也是以“整体不倒塌”为最终目的，因此火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏；另外也没有考虑火灾下结构的整体反应特性，有些构件如次梁，即使不作防火保护，整体结构也可以满足耐火极限的要求，著名的Cardington试验也已表明，构件在整体中的抗火性能大大优于单个构件的抗火能力。
2.3 基于结构性能的抗火设计方法
结构的主要功能是作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，构件数量较多，一般情况下结构局部少数破坏将引起结构内力重分布，其他未破坏的构件可以提供新的传力路径
