基于構件的耐火驗算方法及其在鋼結構防火計算軟件中的應用

王澤源

摘? ? 要：防火設計是鋼結構設計過程當中的關鍵性問題。本文結合《建筑鋼結構防火技術規范》GB 51249—2017的相關規定，對規范中規定耐火極限法、承載力法及臨界溫度法的設計規定及流程進行梳理。并對臨界溫度法在PKPM及承載力法在YJK軟件中的實踐流程進行闡述。

關鍵詞：承載力法;臨界溫度法;等效熱阻

1? 引言

鋼結構以其輕質高強、抗震性能好及施工速度快等優點，成為建筑中廣泛應用的一種結構形式[1，2]。但是其與鋼筋混凝土結構相比，最大的不足是其耐火性能較差，鋼材由于熱傳導系數大，在火災的作用下鋼構件的升溫較快，鋼材的強度隨著溫度的升高而迅速降低[3]。因此，科學合理的進行鋼結構防火設計成為建筑鋼結構領域的剛性需求，住建部于2017年7月31日出臺了《建筑鋼結構防火技術規范》GB 51249—2017（以下簡稱《鋼防火規》），以求減少建筑鋼結構的火災危害，保護人身和財產安全。本文以《鋼防火規》的相關條文為基礎，對建筑鋼結構的基于構件的耐火計算流程進行梳理，并采用常用的結構計算軟件對鋼結構防火計算操作步驟進行實踐，以期在實際設計中起到一定的提示性作用。

2? 基于構件的耐火計算方法

《鋼防火規》給出了三種鋼結構構件的耐火驗算方法，即耐火極限法、承載力法及臨界荷載法。

2.1? 耐火極限法

耐火極限法是在設計荷載作用下，火災下鋼結構構件的實際耐火極限td不應小于其設計耐火極限tm。對于實際耐火極限td，應按相關規范規定的試驗方法或《鋼防火規》的有關規定確定。由于其還是采用基于耐火試驗的防火設計方法，國內主流的計算軟件并未采用耐火極限法對結構進行耐火計算。

2.2? 承載力法

承載力法是指在設計耐火極限時間內，火災下鋼構件的承載力設計值不應小于其最不利荷載組合效應設計值。采用如下計算流程。

（1）確定一種防火保護方法。可以選擇為非膨脹型防火涂料，或者為膨脹型防火涂料，也可以設定為無防火保護。

（2）根據選定的防火保護方法確定防火保護參數。

對于膨脹型防火涂料，應確定防火保護層的等效熱阻Ri;對于非膨脹型防火涂料，應確定防火保護材料的等效熱傳導系數λi及預先設定防火保護層厚度di。

（3）根據火災場景進行空氣升溫計算。建筑室內的標準升溫曲線可以根據《鋼防火規》（6.1.1-1）式或（6.1.1-2）式進行計算。

（4）鋼構件的升溫計算。對于無防火保護層的鋼構件的溫度采用《鋼防火規》（6.2.1-1）式進行計算，對于有防火保護層的鋼構件的溫度按（6.2.2-1）式進行計算。

（5）結構受力分析及荷載效應組合。將按火災下結構的溫度標準值計算的作用效應值按照《鋼防火規》（3.2.2-1）式及（3.2.2-2）式進行組合，按照兩式組合值中的最不利值作為荷載組合效應設計值Sm。

（6）高溫下鋼材的力學參數及鋼構件的抗力計算。對于高溫下鋼材的強度設計值折減，可以按照《鋼防火規》5.1.2條及5.1.4條的相關公式計算。然后按照《鋼防火規》7.1.1條到7.1.7條的相關公式確定軸拉、軸壓、單向受彎、拉彎及壓彎構件的抗力Rd。

（7）判斷構件的耐火承載力是否滿足要求。若計算防火承載力比值小于1，則之前步驟（2）確定的防火保護層厚度或防火保護層的等效熱阻滿足耐火計算要求;若計算防火承載力比值大于1，則需要重新設定防火涂料參數，再次計算，直至滿足要求。

2.3? 臨界溫度法

臨界溫度法是指在設計耐火極限時間內，火災下鋼構件的最高溫度不應高于其臨界溫度。采用如下計算流程：

（1）結構受力分析及荷載效應組合。此步驟同承載力法，不再贅述。

（2）計算鋼構件的荷載比及確定臨界溫度。按照《鋼防火規》7.2.1條到7.2.7條的相關公式確定軸拉、軸壓、單向受彎、拉彎及壓彎構件的強度荷載比R及穩定荷載比R，根據R確定臨界溫度Td，根據R確定臨界溫度Td”，臨界溫度Td取Td和Td”的較小值。

（3）計算無防火保護鋼構件在設計耐火極限tm時間內的最高溫度Tm。將按《鋼防火規》6.2.1條計算得出的Tm與步驟（2）計算得到的Td進行比較，當Td>Tm時，鋼構件即使不采取任何保護措施在火災中也不會發生破壞;當Td≤Tm時，則說明鋼構件需要進行防火保護。

（4）選定一種防火保護方法，計算鋼構件的截面形狀系數Fi/V。

（5）確定膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。

當火災溫度為標準升溫曲線，防火保護層為輕質防火保護層且Tm不高于700℃時，可以按照《鋼防火規》7.2.8條的顯式公式直接計算出膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。當不滿足上述條件時，應按照《鋼防火規》6.2.2條的有防火保護的鋼構件升溫迭代公式，經過多次試算計算出膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。

3? 鋼結構耐火計算在程序中的實踐

3.1? 鋼結構耐火計算在PKPM中的應用

PKPM軟件采用的是臨界溫度法。

首先要在SATWE的參數設置中勾選“是否進行防火設計”，定義火災升溫曲線、鋼材物理參數及保護層類型等參數，進一步是定義防火涂料的性質，對于膨脹型防火涂料主要是防火涂料的比熱及密度，對于非膨脹型防火涂料主要是定義熱傳導系數。定義完主要參數之后，在SATWE前處理的抗火設計定義中，將構件的耐火等級、耐火極限及所采用的防火涂料分別定義給所要計算的鋼結構的梁、柱及支撐。然后進行計算，在SATWE后處理的配筋結果中選擇“防火保護層厚度”按鈕，就可以輸出鋼結構耐火驗算的結果，對于非膨脹型防火涂料，會給出所需要涂刷防火涂料的等效熱阻Ri，施工單位根據涂料廠家給出的使用厚度對應的等效熱阻確定膨脹型防火涂料的施涂厚度;對于非膨脹型防火涂料，軟件會直接給出所需要的非膨脹型防火涂料的施涂厚度及其對應的等效熱阻。

3.2? 鋼結構耐火計算在YJK中的應用

與PKPM不同，YJK采用的是承載力法。

首先在YJK參數輸入中勾選“進行承載力法防火驗算”，定義結構重要性系數、承載力驗算時溫度內力折減系數及燃燒物類型等參數;然后在“溫度荷載”選項卡中選擇“防火升溫”，若采用非膨脹型防火涂料，應分別給梁柱及支撐定義耐火極限、防火涂料的厚度及等效熱傳系數;若采用膨脹型防火涂料，則需要給梁柱及支撐定義設計耐火極限及等效熱阻，等效熱阻一般填入0.4～0.5比較合理。在進行計算之前，還應注意應將結構的樓板定義為彈性樓板，否則無法計算。然后，進入結構計算，通過計算結果查看可以得到鋼結構耐火承載力極限狀態下的應力比。

4? 結語

《鋼防火規》3.2.1條將鋼結構應進行耐火驗算與防火設計納入強條。在今后的鋼結構設計中，應加入鋼結構防火計算的內容。本文對規范的相關條文進行梳理，基于軟件操作對規范中規定的承載力法及臨界溫度法的計算流程進行闡述，以求在實際的鋼結構設計中起到提示性作用，設計出可以滿足規范規定的防火要求的結構。

參考文獻：

[1] GB 50017—2017.鋼結構設計標準[S].

[2] 沈祖炎，陳以一，陳揚驥等.鋼結構基本原理[M].北京：建筑工業出版社，2018.

[3] GB 51249—2017.建筑鋼結構防火技術規范[S].