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现代钢结构抗火设计方法_李国强

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从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的抗火性能

从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的抗火性能

从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的抗火性能摘要：本文通过查阅相关文献，从火灾下钢材性能反应方面入手，了解火灾下钢结构的反应。

后结合火灾下钢结构反应分析与现有国内外研究内容，从而对如何提高钢结构的抗火性能的方法进行讨论，并提出自己的观点。

关键词：钢结构；火灾下；反应；抗火性能近年来随着经济的发展，大跨度、超高层建筑应运而生，促使钢结构的快速发展。

且随着随着房屋密度加大以及燃气、电器的普遍使用，建筑物发生火灾的可能性越来越大火灾给人类带来的危害是巨大的。

钢材为非燃烧材料，但钢耐火性能极差，因此，钢结构一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏甚至倒塌。

2001年“9.11”事件充分证明了这一点。

2001年世贸大厦被撞击后飞机携带大量的燃油向大厦底部流淌，火势迅速向下蔓延，燃烧不久，灼热的高温就通过钢结构迅速传遍整幢大楼，致使大厦承重的钢结构熔化，撞机仅57分钟南楼就彻底崩溃倒塌，而北楼也仅坚持了l小时22分钟，造成了死亡2797人、损失360亿美元的惊世惨案。

因此，了解钢结构在火灾下的反应从而提出提高钢结构的抗火性能的方法是非常有意义的。

1 火灾下钢结构的反应1.1 高温下钢材的反应在加热情况下，普通钢材的性能随着温度升高而变化。

钢材的性能分为物理性能和力学性能。

物理性能主要为膨胀系数、热传递系数、比热、密度等。

高温作用后钢材的物理性能除了密度，总体上都随着温度的升高而变大，而钢材的热膨胀对极限承载力影响不大但使结构或构件产生变形与附加应力。

而钢材的力学性能随温度升高，弹性模量、屈服强度、极限强度随着温度的升高而下降，塑性变形和蠕变随温度的升高而增加。

总体上随着温度变化为：在180℃～370℃温度期间内，钢材出现蓝脆现象，此时钢材的极限强度有所提高而塑性韧性降低，材料相对其他温度段比变脆；当温度超过400℃后，钢材的强度与弹性模量开始急剧下降；在500℃时，钢的极限强度和屈服强度极限大大降低；当温度为600℃时EC3指出钢材的名誉屈服强度及极限强度分别为为常温下的0.47及0.36；650℃以后基本丧失其承载力，造成钢结构建筑物部分或全部垮塌毁坏。

钢_混凝土组合结构的抗火设计

钢_混凝土组合结构的抗火设计
[4]
: 由于钢骨包
[ 5]
含于混凝土内部 , 因此可按钢筋混凝土结构的要求进行抗火设计 ; ( 4) 压型钢板混凝土组合板
: 和钢 ∃ 混
凝土组合梁一样 , 可采用防火涂料法、 防火吊顶单面屏蔽法等等抗火防护方法 ; ( 5) 外包钢混凝土结构: 外 包钢构件的裸露面积较小 , 因此通常采用防火涂料法和膨胀漆覆盖法或包裹法进行防护。
[ 3]
在进行抗火设计时, 首先应确定建筑物的耐火等级 , 进而确定结构构件的耐
火极限要求。一般建筑物的耐火等级可按规范的相关规定确定。在确定结构构件的耐火极限要求时, 应 考虑下列因素 : ( 1) 建筑物的耐火等级越高 , 结构构件的耐火极限要求也越高 ; ( 2) 越重要的构件 , 耐火极 限要求应越高, 一般情况下, 建筑结构的竖向受力构件 ( 如 : 柱等 ) 的重要性比梁重要 , 而梁又比楼板重要 ; ( 3) 如在高层建筑中, 建筑下部的构件比建筑上部的构件更重要。 此外 , 建筑物内的火灾荷载密度、 自动灭火配置情况等因素均对结构构件的耐火极限要求有影响。 ∀建筑室内装修设计防火规范# 给出了钢结构构件的耐火极限要求, 见表 2。 钢- 混凝土组合结构钢构件的耐火极限按照其构件的位置和重要性参考上述原则和表 2 确定。
图 3 屏蔽法防火 保护示意图
对于钢- 混凝土组合结构 , 根据其裸露钢构件的不同特点, 可采用不同的方法进行抗火防护。 ( 1) 钢 管混凝土结构: 可采用防火涂料法、 屏蔽法、 包裹法等对裸露的钢管进行防护; ( 2) 钢 ∃ 混凝土组合梁 : 可采 用防火涂料法、 做防火吊顶进行单面屏蔽等方法对钢梁进行抗火防护 ; ( 3) 钢骨混凝土结构
3
耐火性能的比较
研究结果表明, 在相同的条件下, 钢 - 混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的耐火性能 , 并得到试

高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施

高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施

高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施摘要：近几年，随着城市化的深入，城市可供使用的土地日益减少，导致了城市高层和超高层建筑的迅速发展。

同时，钢结构也广泛应用于高层和超高层建筑，在建筑中的地位日益突出。

介绍了高层建筑钢结构防火设计的基本思路，以及高层钢结构的施工特点，并对其防火风险进行了分析。

关键词：钢结构；抗火设计；防火措施；1.高层钢结构的建筑特点1.1预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短钢构构件的模数协调统一规范，使其达到工业化、规模化，使不同材料、形状和工艺的建筑构件之间具有某种共性和可互换性。

同时，预工程钢结构的施工也使得材料的加工与安装成为一体，从而大大减少了施工费用；同时也可以加速工程进度，将工程进度减少40%，这样可以加速开发商的资金周转，使大楼提前交付。

1.2建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化钢结构建筑的意象组成是一个非常关键的要素，其形态、要素、节点都是影响和限制建筑物形象的重要因素。

只有将建筑和结构的设计和功能结合起来，才能让建筑更加具有功能性，从而在后续的设计中继续进行，从而形成一种技术和艺术相结合的钢结构建筑。

1.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求钢的结构是均匀的，具有较高的强度和较高的弹性模量。

它的密度和强度之比比水泥、混凝土、木头要小得多，在相同的荷载下，钢结构的重量相对较轻，因此可以制成大跨度、高、结构形式。

目前，人类已经能够建造1000多米长的巨型圆顶，以及1000多米高到4000多米的超高层建筑。

同时，索膜结构与钢索组合而成的索膜结构更能满足建筑物的跨径需求，从而使其成为一种具有代表性的建筑物。

1.4原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展由于中国是全球最大的砖混结构和混凝土结构国家，因此，发展钢铁结构对于资源和能源都十分匮乏的国家具有重要的意义。

钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再回收的利用价值，边角料也有价值，而且不需要制模施工。

门式钢刚架结构实用抗火临界温度计算方法

门式钢刚架结构实用抗火临界温度计算方法

第9卷第6期2007年12月建 筑 钢 结 构 进 展Progress in Steel Building Structu res Vo l.9N o.6 Dec.2007收稿日期:2007-01-17;收到修改稿日期:2007-02-13基金项目:上海市科委基金资助项目(02JC14020),国家科技计划项目衔接)科技奥运专项基金(Z0006279040221)作者简介:黄珏倩(1978-),女,博士研究生,主要从事钢结构抗火研究。

E -mail:hjq1113@ 。

李国强(1963-),男,博士,教授,主要从事多高层建筑钢结构及钢结构抗火研究。

门式钢刚架结构实用抗火临界温度计算方法黄珏倩1,李国强1,2,包盼其3,刘 克3(1.同济大学土木工程学院,上海 200092;2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;3.北京北辰会议中心发展有限公司,北京 100101)摘 要: 本文应用A nsy s 程序,针对门式钢刚架结构,变化各种参数,进行了多个不同算例的结构整体抗火临界温度的计算。

在对算例结果进行参数分析的基础上,忽略次要参数,考虑主要参数,得出了适用于跨度小于52m,高度小于10m,截面高度小于900mm 的任意门式钢刚架结构整体抗火临界温度的简化计算表格,可方便地用于该类结构的抗火设计。

关键词: 门式钢刚架;A N SYS 计算;抗火临界温度;简化计算方法中图分类号:T U 392.5,T U 318.01 文献标识码:A 文章编号:1671-9379(2007)06-0042-07A Practical Approach for Fire -Resistant Designof Steel Portal FramesH UAN G J ue -qian 1,L I Guo -qiang 1,2,BA O P an -qi 3,L I U K e 3(1.School of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,Chi na;2.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;3.Beijing North Star ConventionCenter Development Ltd,co.,Beiji ng 100101,China)HUANG Jue -qian:hjq1113@Abstract : U sing the finite element analysis softw are ANSYS,the critical temperatures of steel portal frames in fir e affected withvar ied factor s ar e investig ated.With the analy tical results,the major factors influencing the structural critical temper -atur e are identified.And a simple table is proposed for estimating any steel portal frame's critical temperatur es.T he simplified method in this article can be used in the fir e -resistant desig n of this kind of steel por tal fr ames.Keywords: steel portal frame;AN SYS calculation;cr itical temper ature of fir e -resistant;simplified calculation method钢结构是一种重要的建筑结构形式,但是它存在高温强度低、抗火性能差等缺点,所以在钢结构建筑中,防火问题至关重要。

现代钢结构抗火设计方法

现代钢结构抗火设计方法

纽 约 第 一 贸 易 办 公 大 楼 （ ０层 ） 生 火 灾 ． 盖 钢 梁 被 ５ 发 楼 烧 扭 曲 １ ｒ 左 右 ： ９ ０ｃｌ ｉ １ ０年英 国 一 幢 多 层 钢 结 构 建 筑 ９ 在 施 工 阶段 发 生 火 灾 ， 成 钢 梁 、 柱 和楼 盖 钢 桁 架 的 造 钢
下的内部温度 ：
（ ） 用 确 定 高 温 下 钢 的材 料 参 数 ， 算 结 构 中该 ３采 计 构 件 在 外 荷 载 和 温 度 作 用 下 的 内力 ：
（ ） 行荷 载 效 应 蛆 合 ； ４进
（） ５ 根据 构件 和受载 的类 型 ， 进行构件抗 火承载力
极限状态验算 ； 进 行 结 构 抗 火 设 计 具有 如 下 意 义 ： ： （） 轻 结 构 在 火 灾 中 的破 坏 ． 免结 构 在 火 灾 中 １减 避
严重破坏； ９ ３ １ ９ 年我 国福建省泉州市 一座钢结构冷库
发生 火 灾 ， 成 ３ ６０ｍ。的库 房 倒 塌 ； ９ 造 ０ ｌ ６年 江 苏 省 ９
昆 山 市 一 轻 钢 结 构 厂 房 发 生 火 灾 ． ２ ｉ ４３ ０ｒ 的 厂 房 烧 ｌ
塌 ： ９ １ ８年 北 京 市 某 家 具 城 发 生 火灾 ， 成 该 建 筑 （ ９ 造 钢
ｉ ｜
温度／ Ｃ
》
结构 很容易遭到破坏 例如 ， ９ ７ １ ６ 年美 国蒙哥马利
市 某 饭 店 发 生 火 灾 ， 结 构 屋 顶 被 烧 塌 ：９ ０年 美 国 钢 １７
注 丘 Ｅ —— 高温 和常温 Ｆ钢材 的弹 陛模世
， ， 、 、一 高温 和常温 Ｆ钢材 的屈限 强度 图 ｌ ＾ｒ＾ 、 Ｔ： Ｅ， Ｅ随温度 的变化

钢结构建筑防火性能探析

钢结构建筑防火性能探析

中国新技术新产品
一７ — １５
探讨钢结构 的防火性能 ， 提升钢结 构的 防 火能力 已经变成 当下—个迫在 眉睫 的问题 。 让 人们 在充 分利用 和享受 钢结 构带 来 的便 利 的 同时 ， 降低或减少 钢结构在火 灾发生 时可 能 也 产生 的严 重危 害 。同 时通 过社会 面 得广 泛关 注 ，使大 家能有效 的提高对钢结 构 的认 识 ， 了 解抵御钢 结构 防火 性能较差 的办法和 途径 ， 避 免钢 结构 在火 灾 中局 部或 者整 体倒 塌造 成 的 灾 害和人员疏散 的困难 以及 人员伤亡 ， 减少火 灾后 钢结构 的修 复费用 ， 灾后结构 功能恢 缩短
护。
３ 采用轻 质防火 板材作为 防火外包层 ． ２ 采用 纤维 增强 水 泥板 （ Ｔ 如 Ｋ板 、ｃ板 ） Ｆ 、 石膏板 、 酸 钙板 、 硅 蛭石 板 等非 燃材 料 的防火 板 将钢 构件包 裹起来 。 防火板在德 国、 本 、 １ 美 ３ 国 、 国等 国家 的钢结 构建筑 防火工程 中 已大 英 量应用 。 国 目前 在防火板 的生产 和应用上 尚 我 处于起 步阶段 。 ３ ． ３喷涂钢 结构 防火涂料
３ ． 钢构 件 四周 浇抹 混 凝 土或 砌筑 耐 １在
火 砖 采 用混 凝土或 耐火砖 将钢构件 （ 柱 ） 梁、 完
全 封 闭起 来 。其 钢梁 、 钢柱 的防火保护就 是在 钢构件 外面缠 绕钢 丝（ 增加粘 结力 ）然后 再浇 ， 抹 混凝 土 ， 混凝 土外墙 以队钢结构进 行保 形成
之增大 ， 在 ８０Ｃ ９０ 期 间 ， 在原有伸 但 ０￣～０￣ Ｃ 构件 长的基 础 上又 出现缩 短现 象 ； 度超 过 ９０Ｃ 温 ０￣ 时 ， 始膨胀这 一特性 。 因此 ， 保护 的 又开 未加 钢构 件一旦 遇火 ， 截面 温度迅 速 升高 ， 其 严重 影响到 钢结构安 全工作性 能。 ２ ． ２钢材 遇高温 的力学性 能 在火 灾 高温 的 环境 下 ，５ ￣是 影 响钢材 ２０Ｃ 力学 性 能 的 一个 分 界 点 。在 ２ ０ 的温 度 以 ５＇ ： Ｃ 下， 钢材的强度和弹性没有明显的变化 。超过 ， ２０ 时 ， ５￣ Ｃ 随着 温度 的升高 ， 钢材 自身 的抗压 强 度、 弹性 、 等力学性 能开始 发生变化 ， 出现迅速 下降趋 势 ， 生” 产 塑性流 动” 象 。当环境 温度 现 升高 至 ５ ０Ｃ 右 ， 失去稳 定 性 。从 实 际 ４ ｑ左 钢材 发生 的火灾事 故 当中发 现 ， 一般火场 中都 存在 大量 的高燃烧 性能 的物 质 ， 火场温度 常常可 以 到达 ８０ 至更 高 ， 露在 这样 的火 灾环 境 ０％甚 暴 中钢结构构件 ， 只要很短的时间 ， 便会失去其 自身强 度 ， 弹性 、 改变 ， 局部 的破 造成 塑性 产生 坏 ，对结构 的承载 能力 和完 整性 产生 巨大 影 响， 支撑 力散 失 ， 终造 成的 后果 是钢 结构 建 最 筑 的整体坍 塌。 ２ ． ３钢材遇 高温的热 导性能 钢材虽然不具有燃烧性能 ， 自身却又很 但 好的导热性 ， 是一种热导性好的固体构件 。钢 材遇高温时， 内部的热传导作用较快 ， 其 火焰、 高温烟气、 热空气通过热辐射迅速在其内部传 递 ， 热局 部 向整体传 播 ， 钢结 构 的整 从受 致使 体 受热 面积 增大 ， 持续 时间 越长 ， 对钢 结构 的

建筑结构抗震设计李国强(总结)

地震:因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动震源:地壳岩层发生断裂破坏、错动，产生剧烈振动的地方震中:震源正上方的地面位置极震区:在震中附近，振动最剧烈、破坏最严重的地区震中距:地面某点至震中的距离震源深度:震中到震源的距离或震源到地面的垂直距离构造地震:亦称“断层地震”，是由于地壳发生断层引起的，地壳在构造运动中发生变形，当变形超过岩石的承受能力，岩石就发生断裂，在构造运动中，长期积累的能量迅速释放，造成岩石振动，从而形成地震地震波(体波和面波):地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播体波:通过地球本体传递的波，包括纵波和横波纵波:由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致横波:由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直面波:沿介质表面(或地球地面)及其附近传播的波纵波最快，横波次之，面波最慢，当横波或面波到达时地面振动最强烈地震动三要素:峰值、频谱、持续时间地震烈度:一次地震对某一地区的影响和破坏程度影响烈度的因素:震级、震中距，震源深度、地质构造和地基条件等地震灾害的表现:地表破坏(地裂缝与变形、喷砂冒水、河床变位、地面下沉、滑坡塌方)工程建筑物破坏(承载力不足引起的破坏、结构丧失整体性)次生灾害(火灾、毒气泄漏、放射性污染、滑坡泥石流、海啸)抗震设防:各类工程结构按照规定的可靠性要求和技术经济水平所确定的统一抗震技术要求，是对房屋进行抗震设计和采取抗震构造措施来达到抗震效果的过程基本烈度:即设防烈度,一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值抗震设防烈度:按国家批准权限审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度抗震设防目标:小震不坏,中震可修,大震不倒两阶段抗震设计方法:强度验算(以小震验算承载力,结构弹性变形)第一水准设防通过构造措施保证结构必要的变形能力(中震可修得到保证)第二水准设防变形验算(对特别重要的结构和易倒塌结构按大震验算层间位移)第三水准设防建筑物重要性分类:特殊设防,重点设防,标准设防,适度设防抗震设计:抗震概念设计(抗震基本原则和思想)、抗震计算(提供定量手段)和抗震构造措施(保证计算结果有效性)抗震设计基本原则:注意场地选择、把握建筑体型、利用结构延性、设置多道防线、重视非结构因素结构延性：结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力，反映了结构的变形能力，是防止在地震作用下倒塌的关键因素之一强柱弱梁:使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求,以提高结构的变形能力，防止强烈地震作用下倒塌强剪弱弯:使钢筋混凝土构件中与正截面受弯承载力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载力的设计要求,用以改善构件自身的抗震性能场地:建筑物所在地，具有相似的反应谱特征，范围相当于厂区、居民点和自然村场地土:场地范围内的地基土地基:建筑基础下受力范围内的土层工程地质条件对震害的影响:局部地形,地质构造(发震断裂与非发震断裂),地下水位(越浅，震害越严重)覆盖层厚度:从地表到地下基岩面的垂直距离,即基岩的埋深划分场地类别的目的:在地震作用计算中，定量考虑场地条件对设计参数的影响,确定不同场地上的设计反应谱,以便采用合理的设计参数和采取有关的抗震措施地基土液化:饱和松散的沙土或粉土,地震时易发生液化现象,使地基承载力丧失减弱,甚至喷水冒砂地基土液化机理:处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使原有土颗粒通过接触点传递的压力减小，当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态影响液化因素:土层的地质年代,土层组成,土的相对密度,土层的埋深,地下水位的深度,地震烈度和地震持续时间液化的震害:地面开裂下沉,不均匀沉降底部剪力法条件:结构的地震反应可用第一振型反应表征,结构的第一振型为线性倒三角砌体结构的优点:就地取材、造价低、保温、隔热性能好，并且施工简单,具有优于其他结构的经济效益和使用性能砌体结构的缺点:拉、抗剪和抗弯能力很低并缺乏抗震所要求的延性,即抗震能力较差构造柱的作用:提高墙体的抗剪强度,增强变形能力,避免墙体倒塌圈梁的作用:对于砌体房屋，现浇钢筋混凝土圈梁可加强墙体的连接，提高楼、屋盖的刚度，增强房屋的整体性；还可以和构造柱共同限制墙体裂缝的开展以及抵抗或减小由于地震或其他原因引起的地基不均匀沉降而对房屋造成的不利影响抗震等级:确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准,根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度来确定多高层建筑结构体系:框架结构:由纵横向框架梁柱组成(平面布置灵活,室内空间较大;抗侧刚度较小)抗震墙结构:由钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和水平荷载的结构体系(整体性能好、抗侧刚度大和抗震性能好,可降低建筑层高，充分利用空间;限制建筑内部平面布置的灵活性)框架-抗震墙结构:由框架和抗震墙相结合而共同工作的结构体系(空间大，抗侧刚度大)。

对钢结构抗火性能的认识

对钢结构抗火性能的认识火灾会给人类的生命和财产造成巨大的损失，火灾的类型有建筑火灾、工业生产设备火灾、森林火灾、交通工具火灾等，其中损害最大发生次数最多的就是建筑火灾，约占火灾的80%。

建筑火灾发生时，除了会烧毁设备并对人的生命有威胁外，而且还会造成结构的破坏。

随着我国经济水平的迅速提高，城市规模飞速发展，城市中的建筑物也快速向高层、超高层、多功能化和大规模化发展，并且钢结构建筑在近些年越来越受到企业及工厂的喜爱。

虽然钢材是非燃烧材料，但是钢材不耐火，当火灾发生时，如果温度升高到4000C，那么钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，如果温度继续升高，达到6000C时，钢材的强度和刚度基本会全部丧失。

因此，如果建筑采用无防火保护措施的钢结构，那么一旦发生火灾，结构就会短时间内遭到破坏，从而造成难以估量的损失。

所以为了尽量降低这种损失，近几年各专家学者都在对结构的抗火性能进行研究，并已取得了很好的成果，但是，也还存在许多问题亟待解决。

需要注意的是“抗”主要为“抵抗”的意思。

结构的功能即为抵抗各种环境作用，如抵抗重力、抵抗风荷载（即抗风）等。

火作为一种环境作用，结构同样要抵抗。

结构抗火一般通过对结构构件采取防火措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实现。

结构抗火设计意义十分重大，主要是能减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

而进行建筑防火设计的目的则是：减小火灾发生的概率，减少火灾直接经济损失，避免或减少人员伤亡。

其实对钢结构抗火性能的研究最早是以简单的单个构件为研究对象开始研究的，研究方法包括试验研究和理论研究两种。

构件的抗火性能研究主要针对钢梁、钢柱、节点、楼板进行，对高温下钢梁、钢柱的结构受力、变形性能的分析主要基于常温下的钢构件受力、变形性能分析方法，采用高温下的结构材料特性进行分析。

现代钢结构抗火设计方法

现代钢结构抗火设计方法【摘要】本文基于钢结构建筑的特点，分析了钢结构建筑抗火的设计原理和方法，论述了钢结构抗火设计的要点和具体的步骤，以期能够通过分析为我国现代钢结构的抗火设计工作提供有意义的借鉴。

【关键词】钢结构；抗火；设计；方法一、前言钢结构的设计已经成为了当下建筑设计的一个重点方向，在钢结构建筑设计的环节里，抗火设计成为了一个设计的关键工作。

只有保证了钢结构建筑具有抗火性能，才能够提高钢结构建筑的整体质量。

二、结构附火极限长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需要考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火(对结构更适合称抗火)问题的不多。

确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡.然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件(如梁、楼板、楼梯等)在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。

因此，各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间(或耐火极限)的规定。

表1是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。

表1建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限三、钢结构抗火设计的目标与意义钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

在火灾高温下,结构钢的强度和刚度都将迅速降低(见图1),而火灾升温迅速(见表1),故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。

因此,钢结构抗火设计的一般要求是:如何定量地确定防火保护措施,使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

表2ISO834标准升温曲线温度时间关系进行结构抗火设计具有如下意义:1、减轻结构在火灾中的破坏,避免结构在火灾中，局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；2、避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；3、减少火灾后结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。

门式钢刚架结构实用抗火设计方法_李国强


图 2 构件变截面参数的定义
对于一般变截面门 式钢刚 架结 构 , 梁和 柱的 较大 的截面高度 h 1 相等 。为研究方便 , 假设梁和柱 的截面 高度 h2 相等(另外 的研 究表明 梁和柱 h 2 的 差异 对结 构抗火临界温度的影 响很小)。这样 通过定 义梁 的楔 率可以确定结 构所 有构件 的楔率 。 选取一 组结 构 , 其 梁楔率的变化分别为 0°(等截面), 0.5°, 1.0°, 1.5°。这
14
高度 H , 梁的跨度 L , 梁的坡度 φ。
图 1 参数符号
1.荷载的影响 轻型建 筑门式 钢刚架结 构的高 度一般较 小 , 主要 承受竖向荷载 。相对 于竖向 荷载 , 结构的 水平 荷载很 小 , 竖向荷载起控制作用 。为了简化分析 , 只考虑竖向 荷载的作用 , 并认 为竖向 荷载为 均匀 分布 。不 同的结 构具有不同的荷载值 。为了使结构的荷载大小具有可 比性 , 定义结构的荷载参数 R 等 于结构实际 荷载与结 构弹性极限荷载的比值 。这样各种结构的荷载参数 R 都定义为 0 ～ 1.0 之间的值 。 选择一 门式钢 刚架结构 进行计 算 , 分析荷 载参数 对结构抗火临界温度的影响 。选定的门式钢刚架的其 它参数为 , 截面为等截面 :h =500mm , b =150mm , t f = 12mm , t w =8mm ;结构几何参数为 H = 4m , L =24m , φ=15°。结构抗火 临界 温度随 荷载 参数 R 的变 化关 系见表 1 。由表 1 可见 , 荷载参 数 R 对结 构抗 火临界 温度影响很大 。
组门 式 钢 刚 架 结 构 的 其 它 参 数 :截 面 参 数 为 h 0 = 360mm , b =170mm , tf =12 .7mm , tw =8mm ;结构 几何 参数为 H = 4m , L =20m , φ=15°。 利用程 序计 算这 组结构对应于不同荷载参数的抗火临界温度 。 由于变 截面门式刚架结构弹性 极限荷 载计 算复杂 , 这里 将荷 载参数 R 定义为 结构实 际荷 载与 结构 的弹 性极限 荷
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有效约束 ,拉 杆表面包裹 40 mm 厚的陶 瓷棉加以 绝 缘 ,使拉杆的热膨胀小于钢梁的热膨胀 ,从而对钢梁提 供约束。
图 2 钢梁跨度及截面尺寸
钢梁的外表敷涂 SJ-2型防火涂料 (λ= 0. 162 W / m K) ,涂料厚度 15 m m。钢梁上采用 4点加载 ,如图 3所 示。 钢梁在试验炉内按 ISO-834标准升温曲线升温 ,经 实测得到梁和拉杆的平均温度及轴向平均变形、梁的挠 度与升温时间的关系曲线 ,如图 4、图 5、图 6所示。
( 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)采用确定高温下钢的材料参数 ,计算结构中该 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)根据构件和受载的类型 ,进行构件抗火承载力 极限状态验算 ; ( 6) 当设定的防火被覆厚度不合适时 (过 小或过 大 ) ,可调整防火被覆厚度 ,重复上述步骤。 3. 2 火灾下钢构件的内部温度 火灾下为满足结构耐火极限要求 , 一般需对钢构
hyNT A+ hUb tTMWxx≤ZTVR f
… … ( 8b)
式中: N , Mx —— 分别为火灾下偏心受压构件轴力和
最大弯矩设计值 ;
Um ,Ut —— 等效弯矩系数 ,根据现行钢结构设计
规范有关规定确定 ;
hx T , hy T— — 分别为高温下弯矩作用平面内及平
面外轴压构件整体稳定系数 ;
能恢复周期 ,减少间接经济损失。
1 火灾对钢结构的危害 钢材虽为非燃烧材 料 ,但钢不耐火 ,温度 400 °C
时 ,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半 ,温度达 到 600°C时 ,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此 ,当 建筑采用无防火保护措施的钢结构时 ,一旦发生火灾 , 结构很容易遭到破坏。 例如 [1 ] , 1967年美国蒙哥马利 市某饭店发生火灾 ,钢结构屋顶被烧塌 ; 1970年美国 纽约第一贸易办公大楼 ( 50层 )发生火灾 ,楼盖钢梁被 烧扭曲 10 cm 左右 ; 1990年英国一幢多层钢结构建筑 在施工阶段发生火灾 ,造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的 严重破坏 ; 1993年我国福建省泉州市一座钢结构冷库 发生火灾 ,造成 3 600 m2 的库房倒塌 ; 1996年江苏省 昆山市一轻钢结构厂房发生火灾 , 4 320 m2 的厂房烧 塌 ; 1998年北京市某家具城发生火灾 ,造成该建筑 (钢 结构 )整体倒塌。 从以上的火灾案例可以看出 ,火灾对 钢结构的建筑有较大的危害。 2 钢结构抗火设计的目标与意义
ds —— 钢材的密度 , kg /m3 ;
V —— 单位长度构件的体积 , m3 /m;
ci —— 保护层的比热 , J/ ( kg· K ) ;
di —— 保护层的密度 , kg /m3;
Fi—— 单位构件长度的保护层内表面积 , m2 /m;
di —— 保护层厚度 , m;
λi —— 保护层的导热系数 , W / ( m· K )。
消防科学与技术 2002年 1月第 1期
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( 2)受弯构件 [6 ]
Mx hb TW
≤
x
ZTVR
f
…… ( 7)
式中: Mx—— 火灾下梁的最大弯矩设计值 ;
Wx—— 绕 x 轴的毛截面抵抗矩 ;
hb T —— 高温下钢梁的整体稳定系数: hb T= Tbhb
Tb —— 系数 ,按下式确定
Tb= 1. 150+ 0. 154sin( 4T6S0π- 0. 46π)
消防科学与技术 2002年 1月第 1期
件进行防火保护。 目前的主要防火措施为包覆防火涂 料或防火板。由于钢材导热性好 ,采取防火保护的钢构
件的内部温度可假定为均匀分布 ,再由火灾环境传入
钢构件的热量应等于钢构件升温所吸收的热量 ,可建 立火灾条件下钢构件升温微分方程。 求解该方程并加 以近似简化 ,可得标准火灾升温条件下 ,钢构件的内部 温度 T S (°C)随火灾发生后时间 t ( s)变化的计算公式:
3. 3 高温下钢材的材料参数
对钢构件抗火承载力极限状态有重要影响的高温 钢材材料参数主要为屈服强度与弹性模量。研究表明 , 不同钢材的高温材料参数值会有较大差别 [ 11] [ 12] ,建议
对各种钢材专门研究其高温材料参数 ,以用于由其做 成构件的抗火计算。
以下仅介绍欧洲钢结构协会推荐的钢材高温材料 参数计算公式 [2 ]:
* 本文为《′2001上海钢结构防火技术国际研讨会》优秀论文。
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注: E T、 E — — 高温和常温下钢材的弹性模量 f yT、 f y— — 高温和常温下钢材的屈服强度 图 1 fyT / f y、ET /E 随温度的变化
3 基于计算的现代钢结构抗火设计方法 3. 1 基本思想与方法
基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的 基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题 ,目前 已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。 这种钢结构 的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐 火极限判断 ,考虑温度内力的影响 ,在我国第一部钢结 构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》 [3 ]中即 采纳了这种方法 ,其计算过程如下:
消防理论研究
现代钢结构抗火设计方法*
李国强 (同济大学土木工程学院 , 上海 200092)
摘 要: 文章 论述了 火灾对 钢结构 的危 害和钢 结构 抗火
设计 的目标与 意义 ,基于高 温承载力 极限状 态验算 的思想 ,文 章阐述了现代钢结 构抗火计算与设计 方法 ,并通 过试验验证了 这一方法的科学性、合理性与有效性。
( 0°C < TS≤ 500°C)
Tb = 1. 292- 0. 625 2× 10- 4 ( TS - 500) 2
( 500°C < TS≤ 600°C)
T S —— 钢梁的平均温度 ;
hb —— 常温下对应长细比和截面类型的钢梁的
整体稳定系数 ,根据现行钢结构设计规
范有关规定确定。
当 hb T> 0. 6时 ,按下式将 hb T修正为 h′b T
h′b T= 1. 1- 0. 464 6 /hbT+ 0. 126 9 /hb1.T5
( 3)偏心受压构件 [7 ]
hxNT A+
Um Mx Vx W x ( 1- 0. 8N
/N EXT )≤ZTVR f
… … ( 8a)
表 1 ISO 834标准升温曲线温度时间关系
时间
min 0
温度 Tg - T0 °C 0
5 10 15 30 60 90 120 180 240 360 556 659 718 821 925 986 1 0291 0901 1331 193
进行结构抗火设计具有如下意义 [1 ]: ( 1)减轻结构在火灾中的破坏 ,避免结构在火灾中
TS ( t ) = ( 0. 044+ 5. 0× 10- 5 B - 0. 2) t+ TSO
…… ( 1)
式中: TS —— 钢构件的内部温度 ,°C;
TSO—— 火灾前构件的初始温度 ,一般取 20°C。
B=
1+
1 cidi
· Fi
2csds V
λi Fi di V
…… ( 2)
式中: cs —— 钢材的比热 , J/( kg· K) ;
下结构抗火设计的荷载效应组合式 [ 3]:
S= VGCGGk+ ΢VQi CQi Qik+ VW CW Wk+ VFCF (Δ T ) i
式中: S —— 荷载组合效应 ; Gk —— 永久荷载标准值 ;
…… ( 5)
Qik —— 楼面或屋面活载 (不考虑屋面雪载 ) 标 准值 ;
Wk —— 风载标准值 ;
表 2 系数 α的确定
构件长细比
≤ 50 100 150
≥ 200
构 件 温 度 °C
200 300 400 500 550 570 580 600 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 96 1. 04 1. 08 1. 12 1. 12 1. 05 1. 00 0. 97 0. 85 1. 08 1. 14 1. 21 1. 21 1. 11 1. 00 0. 94 0. 74 1. 10 1. 17 1. 25 1. 25 1. 13 1. 00 0. 93 0. 68
f yT fy
=
1+
TS
767l n( 1T7S50)
(
T S≤
600°C) …
…
(
3)
ET E
=
-
1 7.
2× 10- 12 T4S+
11. 8× 10- 9 T3S -
34. 5×
10- 7 T2S+ 15. 9× 10- 5 TS+ 1 ( T S≤ 600°C)
…… ( 4)
式中: f y T、 f y—— 分别为高温和常温下钢材的屈服强
关键词: 钢结构 ; 耐火极限 ; 抗火设计 中图分类号: T U39 文献标识码: A 文章编号: 1009- 0029( 2002) 01- 0008- 04
局部倒塌造成灭火及人员疏散困难 ; ( 2)避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡 ; ( 3)减少火灾后结构的修复费用 ,缩短灾后结构功
N hT·
A≤ZTVR f
…… ( 6)
式中: N — — 火灾下构件所受的轴压力设计值 ;
A — — 柱的毛截面面积 ;
hT — — 高温下轴心受压构件的稳定系数: hT=
T· h; T — — 系数 ,根据构 件的长细 比和温 度按表 2