結構耐火性能分析在建筑性能化防火設計中的實施

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

20世紀70年代“性能化防火設計”的概念被提出。性能化防火設計是指根據工程使用功能和消防安全要求，運用消防安全工程學原理，采用先進適用的計算分析工具和方法，通過對建筑環境中設定火災場景的火災風險量化和分析進而對建設工程消防設計、方案進行綜合分析評估，判斷建筑抵御火災的性能指標是否滿足預設的消防安全目標，從而優化消防設計方案的工作方法。

結構耐火性能分析是建筑性能化防火設計的主要內容之一。本文詳細梳理結構耐火性能分析的一般實施過程，通過對各階段的把握和準確理解，提高結構專業從業人員對建筑性能化防火設計的理解和解決問題的能力。

1 結構耐火性能分析要點

1.1 明確目的

結構耐火性能分析的首要目的即為驗算結構和構件的耐火性能是否滿足現行規范要求。通常來講，建筑方案的確定是以消防安全設計符合規范為前提的，建筑性能化防火設計也不例外。與傳統設計方法不同的是，性能化防火設計對現行規范難以解決的消防設計問題給予了科學的延伸，但這并不意味著性能化防火設計突破了規范，而是以等同于現行規范的安全水平為前提的。因此，無論是傳統的建筑防火設計方法還是性能化防火設計，結構耐火性能分析的目的都是不變的。

1.2 明確方法

從建筑和結構兩方面分析確定，我們通常采用兩種結構耐火性能分析的方法。

第一種方法，驗算結構和構件的耐火極限是否滿足規范的要求。結構和構件的耐火極限要求在《建筑設計防火規范》GB50016和其他相關的國家標準中均有嚴格且明確的規定。通過對耐火極限的限定，在建筑專業考量上已經滿足各方面防火安全的要求，因而等同于結構的耐火性能滿足設計要求。

第二種方法，規范規定的耐火極限的火災溫度場作用下，結構和構件的承載能力是否大于荷載效應組合。目前，相關規范的編制過程中也提出了基于計算的結構及構件抗火驗算方法。將火災發生的概率數字化，定義為偶然荷載工況。因此，放寬結構驗算標準，即火災下只驗算結構或構件的承載力極限狀態，對正常使用極限狀態不做驗算要求。承載力極限狀態一般包括：1)軸心受力構件截面屈服；2)受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構；3)構件整體喪失穩定；4)構件達到不適于繼續承載的變形[1]。一般的建筑結構僅需驗算構件的承載能力，而對于比較重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

從安全和可靠性上考慮，以上兩種方法是等效的。

1.3 明確影響因素

1.3.1 結構的類型

鋼結構的耐火性能較差，需要對鋼構件采取一定的保護措施；鋼筋混凝土結構比單純的鋼結構耐火性能有所提高，處于被包裹狀態下的鋼筋會得到有效保護，從而提高結構的耐火性能；鋼—混凝土組合結構是將型鋼埋入鋼筋混凝土結構，型鋼得到一定厚度的混凝土包裹后，大大提高了材料的耐火性能，因而此種結構形式是目前為止耐火性能最好的結構類型之一。

1.3.2 結構的荷載比

這里所謂的荷載比指的是結構承受荷載與其所能承受的極限荷載的比值。對于結構材料，隨著溫度的升高，其承載能力會逐步降低。對于荷載比較大的結構而言，伴隨火場溫度的升高，這種材料受力缺陷同樣會被溫度放大，因而荷載比越大，構件的耐火極限越小。

1.3.3 結構所處的火災規模

火災規模包括火災溫度和火災持續時間。火災溫度是構件升溫的原動力，它主要通過對流和輻射兩種方式將熱量向構件傳遞。作為構件升溫的驅動者，火災規模對構件溫度場有明顯的影響。與此同時，溫度越高，結構材料性能劣化越嚴重[1]。

1.4 明確分析模型的選取

綜合國內外普遍運用的結構耐火性能計算方法，一般包括三種方法：1)整體結構計算模型；2)子結構計算模型；3)單一構件計算模型。

我國在關于鋼結構防火技術方面也做出了嘗試，相關規范也在不斷完善之中。關于鋼結構的耐火性能計算（也可稱為抗火驗算）規范大多以結構的跨度、是否采用預應力方式等參數做出規定，重要性結構要求采用整體結構計算模型補充驗算；一般結構的相對重要部分可采用子結構計算模型，并要求考慮相應的邊界條件予以限定；單一構件計算模型適用于對結構局部體系的某一處構件抗火驗算，是結構耐火性能計算的基本方法。

2 結構耐火性能分析步驟

結構耐火性能分析包括溫度場分析和溫度場下結構的安全性分析。建筑火災模型和建筑材料的熱工參數是進行結構溫度場分析的基礎資料。同樣，高溫下建筑材料的力學性能是建筑結構高溫下安全性分析的基礎資料。同時，進行建筑結構高溫下安全性分析還需要確定火災時的荷載。

2.1 結構溫度場的建立

確定建筑火災溫度場需要火災模型。《建筑設計防火規范》GB50016提出可采用ISO834標準升溫曲線作為一般建筑室內火災的火災模型。實際中，受建筑室內可燃物數量和分布、建筑空間大小及通風形式等因素的影響，建筑火災千差萬別，為了更加準確的確定火災溫度場，也可采用火災模擬軟件對建筑火災進行數值模擬。

火災模型確定之后，即可對結構及構件進行傳熱分析，確定火災作用下建筑結構及構件的溫度。方法及相應選取的參數本文不作詳述。

2.2 結構材料溫度性能確定

結構材料的高溫性能參數是直接影響耐火性能計算的重要參數。實際操作中，通常以傳統材料的性能指標通過溫度性能折減系數的方式加以表達。不同材料的溫度折減系數，需要通過大量的試驗數據推導、計算模擬分析等手段獲得，并在實踐檢驗過程中不斷修正。

2.3 結構火災狀態下荷載效應組合

火災作用工況是一種偶然荷載工況，按照《建筑結構荷載規范》的相關要求按偶然設計狀況的作用效應組合確定，火災下結構的溫度標準值采用分項系數加以調整。

2.4 結構的抗火驗算

不同結構形式的抗火驗算略有不同，一般方法歸納為：1）設定結構初期狀態參數；2）計算結構在滿足要求的溫度場下承受預期荷載的內力組合；3）計算結構溫度場下承載力；4）對比計算結果是否滿足，如不滿足則調整初期狀態參數重復以上步驟，直至滿足要求。

需要說明的是，基于性能化防火設計的要求，對于一些體型復雜，重要性高的建筑結構，需要考慮溫度場下材料本構關系的變化、結構的內力重分布、整體結構的倒塌破壞過程，這就需要對火災下建筑結構的行為進行準確確定。

結構耐火性能分析是個復雜過程，本文僅針對建筑性能化防火設計所涉及到的有關方面做了一些介紹和概括，文中某些提法或理解也不免存在偏差，希望能夠得到相關專業從業人員的批評和指正。