基于计算的钢结构抗火研究

2011-05-12邓晓华

中国新技术新产品 2011年7期

关键词：钢结构承载力构件

邓晓华

(河北省邢台公安消防支队，河北邢台 054000)

1 引言

钢材虽为非燃烧材料,但钢不耐火,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。从而导致整体结构的坍塌，由此可以看出,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

钢结构在我国有着广泛的前景。但也存在很多的制约因素，其中最主要的一个是:钢结构的耐火性差。试验证明，当温度为400℃时，钢材的强度降至原强度的一半;温度超过600℃时，钢材基本丧失其全部强度结构丧失承载力。所以，要推广钢结构，首先必须研究解决它的抗火问题。

3.基于计算的构件防火设计方法

基于计算的构件防火设计方法，要求考虑高温下建筑用钢的力学性能的变化，确定钢结构的防火极限状态，直至找到最经济的保护层厚度。

3.1 钢结构耐火极限状态及防火设计设计要求

一、当满足以下条件之一时，则认为钢结构构件达到防火承载力极限状态：

（1）轴心受力构件截面屈服；（2）受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构；（3）构件丧失整体稳定。

二、火灾发生到结构或结构构件达到防火承载力极限状态的时间为结构或结构构件的耐火时间。

三、结构的防火设计应满足下列要求之一：

（1）在规定的结构耐火极限的时间内，结构或构件的承载力应不小于各种作用所产生的组合效应Sm,Rd≥Sm

（2）在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间应不小于规定的结构或构件耐火极限tm,td≥tm

（3）结构或构件的临界温度应不小于在耐火极限时间内结构或构件的最高温度Tm,Td≥Tm

3.2 真实火灾条件下构件耐火极限的计算公式

3.2.1 等效耐火时间的计算方法。国内标准和国际标准目前都采用上述最后一种方法确定建筑结构的耐火性能，即采用与标准火等效受火时间法。这种方法比较好地解决了真实火灾与标准火灾之间的关系，即可根据实际情况通过计算确定所需耐火时间，又可采用标准试验方法进行验证。

等效受火时间法是定义标准耐火试验受火时间的一种手段，可以用于度量火灾条件下构件所应具备的耐火时间，但不能用于构件的温度场和承载力分析计算。它给出的构件的临界温度与所考虑的房间火灾中构件的临界温度相同，该临界温度可以是被保护的钢结构构件的钢材温度。

考虑发生火灾的概率、结构倒塌的后果、火灾的不完全燃烧因素和灭火系统的影响，可得到等效耐火时间的计算式。

式中：qf：等效火灾荷载密度,MJ/m2;ks：与空间边界构件的热导率、比热容和密度有关的热惯性系数；kc：考虑火灾荷载燃烧程度的燃烧系数；wf：通风系数；rp：火灾的发生概率系数；rd：火灾引起结构倒塌的后果系数；rw：自动喷水灭火系统的作用系数。

3.2.2 钢结构构件耐火极限验算

由于真实的火灾温度时间曲线变化很大，主要取决于火灾荷载密度和通风条件。另外，火灾中传递到构件上的总热量取决于构件所接受的热通量。测试炉传热的辐射部分与真实火灾相比有所差异，不可能在大范围的真实火灾条件下进行构件测试。因此，验算时可以根据基于和真实火灾发展特性等效的标准温度—时间曲线进行。

火灾下的有效荷载就是构件在火灾时实际承受的荷载。火灾时构件承受的荷载对其耐火极限有很大影响。有效荷载大，耐火极限低；反之则高。梁、板和柱构件是按照极限状态设计表达式来设计的，具有较高的安全度。但考虑到火灾是构件在使用期内可能遭受到的偶然、短期作用，火灾中人员的主动疏散等，其安全度可适当降低。因此，可以采用荷载的长期效应组合作为计算构件耐火承载力的荷载。荷载的长期效应是指永久荷载标准值加上可变荷载的“准永久值”所产生的荷载效应，见下式：

式中：GG：永久荷载的荷载效应系数；GX：永久荷载的标准值；CQi：第i个可变荷载的荷载效应系数；φQi：第i个可变荷载的准永久值系数，按建筑结构规范取值，对避难层、上人屋面的人群活荷载、风荷载取1.0；QiK：第i个可变荷载的标准值；rw：风荷载分项系数，取0或0.3，选不利情况；Cw：风荷载效应系数；Wk：风荷载标准值;rF：温度效应的分项系数，取1.0；CF：温度效应系数；△T：构件或结构的温度变化。

在进行荷载组合时，一般不再考虑同时发生地震等偶发事故。因此，构件的耐火极限计算时，只考虑火灾这一单一偶发事件的作用。