基于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)抗火研究

鄧曉華

(河北省邢臺(tái)公安消防支隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

1 引言

鋼材雖為非燃燒材料,但鋼不耐火,當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí),一旦發(fā)生火災(zāi),結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞。從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的坍塌，由此可以看出,火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的建筑有較大的危害。

2 鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的目標(biāo)與意義

鋼結(jié)構(gòu)在我國有著廣泛的前景。但也存在很多的制約因素，其中最主要的一個(gè)是:鋼結(jié)構(gòu)的耐火性差。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度為400℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度降至原強(qiáng)度的一半;溫度超過600℃時(shí)，鋼材基本喪失其全部強(qiáng)度結(jié)構(gòu)喪失承載力。所以，要推廣鋼結(jié)構(gòu)，首先必須研究解決它的抗火問題。

3.基于計(jì)算的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法

基于計(jì)算的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法，要求考慮高溫下建筑用鋼的力學(xué)性能的變化，確定鋼結(jié)構(gòu)的防火極限狀態(tài)，直至找到最經(jīng)濟(jì)的保護(hù)層厚度。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)及防火設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求

一、當(dāng)滿足以下條件之一時(shí)，則認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到防火承載力極限狀態(tài)：

（1）軸心受力構(gòu)件截面屈服；（2）受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機(jī)構(gòu)；（3）構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定。

二、火災(zāi)發(fā)生到結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到防火承載力極限狀態(tài)的時(shí)間為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火時(shí)間。

三、結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求之一：

（1）在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限的時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力應(yīng)不小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng)Sm,Rd≥Sm

（2）在各種荷載效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐火時(shí)間應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耐火極限tm,td≥tm

（3）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的臨界溫度應(yīng)不小于在耐火極限時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的最高溫度Tm,Td≥Tm

3.2 真實(shí)火災(zāi)條件下構(gòu)件耐火極限的計(jì)算公式

3.2.1 等效耐火時(shí)間的計(jì)算方法。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)目前都采用上述最后一種方法確定建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能，即采用與標(biāo)準(zhǔn)火等效受火時(shí)間法。這種方法比較好地解決了真實(shí)火災(zāi)與標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)之間的關(guān)系，即可根據(jù)實(shí)際情況通過計(jì)算確定所需耐火時(shí)間，又可采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

等效受火時(shí)間法是定義標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)受火時(shí)間的一種手段，可以用于度量火災(zāi)條件下構(gòu)件所應(yīng)具備的耐火時(shí)間，但不能用于構(gòu)件的溫度場和承載力分析計(jì)算。它給出的構(gòu)件的臨界溫度與所考慮的房間火災(zāi)中構(gòu)件的臨界溫度相同，該臨界溫度可以是被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼材溫度。

考慮發(fā)生火災(zāi)的概率、結(jié)構(gòu)倒塌的后果、火災(zāi)的不完全燃燒因素和滅火系統(tǒng)的影響，可得到等效耐火時(shí)間的計(jì)算式。

式中：qf：等效火災(zāi)荷載密度,MJ/m2;ks：與空間邊界構(gòu)件的熱導(dǎo)率、比熱容和密度有關(guān)的熱慣性系數(shù)；kc：考慮火災(zāi)荷載燃燒程度的燃燒系數(shù)；wf：通風(fēng)系數(shù)；rp：火災(zāi)的發(fā)生概率系數(shù)；rd：火災(zāi)引起結(jié)構(gòu)倒塌的后果系數(shù)；rw：自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的作用系數(shù)。

3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限驗(yàn)算

由于真實(shí)的火災(zāi)溫度時(shí)間曲線變化很大，主要取決于火災(zāi)荷載密度和通風(fēng)條件。另外，火災(zāi)中傳遞到構(gòu)件上的總熱量取決于構(gòu)件所接受的熱通量。測試爐傳熱的輻射部分與真實(shí)火災(zāi)相比有所差異，不可能在大范圍的真實(shí)火災(zāi)條件下進(jìn)行構(gòu)件測試。因此，驗(yàn)算時(shí)可以根據(jù)基于和真實(shí)火災(zāi)發(fā)展特性等效的標(biāo)準(zhǔn)溫度—時(shí)間曲線進(jìn)行。

火災(zāi)下的有效荷載就是構(gòu)件在火災(zāi)時(shí)實(shí)際承受的荷載。火災(zāi)時(shí)構(gòu)件承受的荷載對(duì)其耐火極限有很大影響。有效荷載大，耐火極限低；反之則高。梁、板和柱構(gòu)件是按照極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式來設(shè)計(jì)的，具有較高的安全度。但考慮到火災(zāi)是構(gòu)件在使用期內(nèi)可能遭受到的偶然、短期作用，火災(zāi)中人員的主動(dòng)疏散等，其安全度可適當(dāng)降低。因此，可以采用荷載的長期效應(yīng)組合作為計(jì)算構(gòu)件耐火承載力的荷載。荷載的長期效應(yīng)是指永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值加上可變荷載的“準(zhǔn)永久值”所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，見下式：

式中：GG：永久荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)；GX：永久荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；CQi：第i個(gè)可變荷載的荷載效應(yīng)系數(shù)；φQi：第i個(gè)可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)，按建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范取值，對(duì)避難層、上人屋面的人群活荷載、風(fēng)荷載取1.0；QiK：第i個(gè)可變荷載的標(biāo)準(zhǔn)值；rw：風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取0或0.3，選不利情況；Cw：風(fēng)荷載效應(yīng)系數(shù)；Wk：風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;rF：溫度效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；CF：溫度效應(yīng)系數(shù)；△T：構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的溫度變化。

在進(jìn)行荷載組合時(shí)，一般不再考慮同時(shí)發(fā)生地震等偶發(fā)事故。因此，構(gòu)件的耐火極限計(jì)算時(shí)，只考慮火災(zāi)這一單一偶發(fā)事件的作用。

結(jié)論

本文在總結(jié)過去的研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑高度、用途等和建筑物內(nèi)的實(shí)際火災(zāi)荷載、通風(fēng)條件等因素，給出了鋼結(jié)構(gòu)單一構(gòu)件的耐火時(shí)間計(jì)算方法，以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗(yàn)算方法，但其實(shí)用性還未得到驗(yàn)證，需要相關(guān)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)以證明其可靠性.

[1]李國，蔣首超，林桂祥.鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.6.

[2]ECCS(European Convention for Constructional Steelwork)European Recommendations for the Fire Safety of Steel Structures，1983.

[3]莫魯.鋼結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計(jì)計(jì)算[J]建筑結(jié)構(gòu)，1989，5(6)21-23.

[4]任學(xué)軍.鋼構(gòu)件和鋼框架火災(zāi)行為的數(shù)值分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]張春玉,趙延林.鋼結(jié)構(gòu)建筑防火問題探討[J].山西建筑，2005,(7)：39-40.

[6]李國強(qiáng).鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的發(fā)展[J].鋼結(jié)構(gòu)，2000,(3)：47-49.

[7]杜鵑，魏德敏.鋼結(jié)構(gòu)抗火研究[J].科技開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003,(9)：157-159.