火災對鋼結構穩定性的影響

依力牙爾艾買提

摘要：至今還不可能由結構分析來計算火災的結構影響。在不可能確定的情況下，現有的規程常常給設計人留有自行決定的余地。然而最近的許多研究已朝著有可能分析結果火災影響的方向邁進了一步這樣便將火災同樣的處理成一種外加負荷。

關鍵詞：結構分析；火災荷載；耐火極限等級

大多數國家的防火規程，對結構及其構件的設計與構造，有關火災條件下的性能，或多或多或少地帶有嚴格地強制規定性質，這些規定主要是依據經驗制定的。

然而最近的許多研究已朝著有可能分析結果火災影響的方向邁進了一步，這樣便將火災同樣的處理成一種外加負荷，相應的方法已包含于荷蘭瑞典和瑞士所推行的規范中，德國在工業建筑中估算火災影響的程序已包括于DIN18230中[1]。

一、火災作為一種結構荷載

為了計算火災對結構承重構件的影響，并決定構件的尺寸和構造，必須進行下列研究：

①火災荷載的估計；②火災特性的測定；③構件中熱傳導的測定；④構件的溫度計算；⑤構件設計。

火災荷載：火災荷載可由一個給定空間內所有可燃材料的總量及其燃燒所釋放的熱量來計算，有建筑物永久的裝修和配件構成的火荷載部分，可在設計階段加以確定，而由建筑物內可移動的東西構成的那部分只能以有關該類建筑的統計資料為基礎加以確定。

建筑物火勢增長率：這是以研究建筑物的區段或房間中時間—溫度曲線來表示的特性，瑞典規程提出了一個計算曲線的方法，有火災荷載值以及所研究空間的窗洞口大小，高度以及封閉表面總面積之間的比值來計算。另一個計算辦法是，通過等效火災持續時間的測定，實際的火災可以換算成標準的火災，由符合標準曲線的標準火災和等效火災將得出對結構構件同樣的最大溫度影響。

構件溫度：從火災中包圍結構構件的氣體溫度，可以算出傳給構件的總熱量，考慮到有各種外包層或覆面層形成的隔熱能力，每個構件的溫度應分別計算。

構件設計：如果這種外包層或覆面層能防止結構構件的升溫超過臨界值，則該構件設計本身就不必考慮火災的外加荷載，因為在溫度以下構件仍能承受容許荷載，但是倘若計算表明承重截面上的升溫會超過，則鋼結構應采用減少容許應力的方法進行設計[2]。

二、火災荷載

火勢增長率：任何特定材料的性能特征，是由發生燃燒的區域內形成的時間—溫度曲線表示的，這一曲線又可以進而與國際標準時間—溫度曲線找到關系，結構構件的耐火等級是根據這條直線規定的，這可以用一個等級指數m乘以火災荷載求得，m是根據耐火能力試驗已予確定的實際應用關系。一些材料的時間—溫度曲線以及同一種材料所做的試驗性火災荷載效應說明實際火焰的溫度絕大多數大于低于標準曲線，雖然在火焰初期時的一段段時間內記錄到較高的溫度是可能的。DIN18230中設定的等級指數m考慮了單位體積的可燃材料的表面積。以材料的厚度d表示，因為有較大表面積的薄片的可燃材料，要比一整塊同類材料燃燒的更為猛些。

比較：按照法令規定，在學校，辦公室，醫院等建筑物中出現的實際火災荷載，與木家具一起規定為q=80Mcal/㎡。這是建立在對這類實際建筑物大量調查的基礎知識之上的，歐洲鋼結構建筑協會就若干行政建筑內480個辦公室等房間的可燃物進行統計提出的資料，其平均值q=92Mcal/㎡。這些房間的火災荷載，有90%低于164Mcal/㎡，有95%低于188Mcal/㎡。

三、結構構件的耐火極限等級

除了允許以實際希望的時間—溫度曲線為基礎計算極限荷載的情況以外，結構構件是按照他們在耐火實驗中能繼續承受和在作用的最短時間來分級的，在試驗爐中標準火焰曲線確定溫度是時間的函數，耐火能力就這樣劃分為幾個等級，每一級都比前一級長30分鐘。標準曲線是國際公認的，耐火極限等級也為世界各國廣為采用[3]。

承重構件：承重構件應在承受容許工作荷載的條件下 進行試驗，若這一點實際上做不到，則鋼柱的溫度平均不允許超過400℃，而個別的不應超過500℃。耐火極限等級為F90及其以上的柱子，再處于熱狀態時應能經受噴水驟然冷卻作用，不至于開裂或包殼散裂而裸露出鋼材。自F90級以上結構構件的重要組成部分也應當用A級材料構成，而F180等級的構件應整個由A類材料構成。

非承重構件：在耐火實驗中非承重構件不應因其自重而倒坍。

空間封閉構件：這些構件應能阻止火焰貫通，不直接接觸火焰的表面不應產生可燃氣體，在墻體靠火焰一邊平均溫度不應超過140℃個別構件也不應超過180℃。耐火極限等級F90以上的這些部分，凡在遭破壞后允許火焰無阻擋地通過的，應以A級材料構成，而按耐火極限等級F180設計的空間封閉構件，應當全部用不燃材料構成。

封閉空間的頂棚，F90級以上的，應包含一個厚度至少50mm由A級材料構成的連續密實的薄層，隔墻應在承受火災試驗之后能經受一次2的沖擊試驗。

防火墻：防火墻應與耐火極限等級為F90的空間封閉墻體構造相同，全部采用A類材料，不能有空洞，并能在偏心荷載與沖擊試驗下保持穩定性，此外還應滿足所用材料的最小厚度要求。

外墻：外墻應能阻止火焰在建筑物外面一層層地向上蔓延，這種墻體所要求的耐火能力，應包括設備固定件以及覆面板節點，在火災中不至于引自重而塌落，也不能降低附著力，外墻的內表面要經受整個標準火焰曲線的試驗，而其外表面積需經受650℃就行，當建筑物外表暴露于火災中時，墻的飾面層不應出現可燃氣體，建筑物內部著火時，墻的外表面平均溫度不能超過140℃個別的不能高于180℃。

防火物障：本論文所指的包括耐火極限等級自F30至F180的門，墻上類似的隔板，頂棚，以及防火墻，均應滿足專門要求。其他規程還包括電梯間的門，玻璃窗，屋面覆蓋層以及空氣管道等。

四、結語

當個別截面上達到破壞溫度時通常并不一定會引起這個結構構件的破壞，按彈性理論設計的超靜定結構仍然具有強度儲備，一根連續梁中某個別截面首先打到破壞溫度時在那個截面上使產生一個塑性鉸，但梁依然保持它的承載力，在火災情況下一根連續鋼梁在若干個跨距內出現撓曲，使梁主要是受拉，假如整個體系仍然是一個連續的整體—依靠連接構造設計—這就提供了強度儲備，既可以采用更高的臨界溫度數值，如果充分考慮了這些關系就可能緩和必須滿足的嚴格要求，節省防火費用，這一點在使用較薄的保護材料等方面已得到證實。

參考文獻

[1] 陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].科學出版社，2014.

[2] 李國強.多高層建筑鋼結構設計[M].中建筑工業出版社，2004.endprint