钢_混凝土组合结构的抗火设计

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: 由于钢骨包
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含于混凝土内部 , 因此可按钢筋混凝土结构的要求进行抗火设计 ; ( 4) 压型钢板混凝土组合板
: 和钢 ∃ 混
凝土组合梁一样 , 可采用防火涂料法、 防火吊顶单面屏蔽法等等抗火防护方法 ; ( 5) 外包钢混凝土结构: 外 包钢构件的裸露面积较小 , 因此通常采用防火涂料法和膨胀漆覆盖法或包裹法进行防护。
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在进行抗火设计时, 首先应确定建筑物的耐火等级 , 进而确定结构构件的耐
火极限要求。一般建筑物的耐火等级可按规范的相关规定确定。在确定结构构件的耐火极限要求时, 应 考虑下列因素 : ( 1) 建筑物的耐火等级越高 , 结构构件的耐火极限要求也越高 ; ( 2) 越重要的构件 , 耐火极 限要求应越高, 一般情况下, 建筑结构的竖向受力构件 ( 如 : 柱等 ) 的重要性比梁重要 , 而梁又比楼板重要 ; ( 3) 如在高层建筑中, 建筑下部的构件比建筑上部的构件更重要。 此外 , 建筑物内的火灾荷载密度、 自动灭火配置情况等因素均对结构构件的耐火极限要求有影响。 ∀建筑室内装修设计防火规范# 给出了钢结构构件的耐火极限要求, 见表 2。 钢- 混凝土组合结构钢构件的耐火极限按照其构件的位置和重要性参考上述原则和表 2 确定。
图 3 屏蔽法防火 保护示意图
对于钢- 混凝土组合结构 , 根据其裸露钢构件的不同特点, 可采用不同的方法进行抗火防护。 ( 1) 钢 管混凝土结构: 可采用防火涂料法、 屏蔽法、 包裹法等对裸露的钢管进行防护; ( 2) 钢 ∃ 混凝土组合梁 : 可采 用防火涂料法、 做防火吊顶进行单面屏蔽等方法对钢梁进行抗火防护 ; ( 3) 钢骨混凝土结构
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耐火性能的比较
研究结果表明, 在相同的条件下, 钢 - 混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的耐火性能 , 并得到试
验的验证。下面以钢管混凝土柱和压型钢板混凝土组合楼板为例, 将钢 - 混凝土组合结构的耐火性能与 普通钢结构的耐火性能进行比较。 3. 1 钢管混凝土柱与普通钢柱的比较 试验研究结果表明, 设计荷载作用下的钢管混凝土柱在遭受火灾时比普通钢柱具有更好的耐火性 能 。文献 在此基础上, 提出圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱耐火极限的理论计算模型 , 文献 对模型计算结果进行了验证。结果显示 : 减小呈降低的趋势。对于长细比较大( !100) 且截面直径较小 (
表 2 钢结构构件耐火极限要求
建筑物耐火等级 高 层 柱 梁 楼板及屋顶承重构件 支承多层的柱 支承单层的柱 一般工业 与民用建筑 梁 楼板 屋顶承重构件 疏散楼梯 一级 3. 0 2. 0 1. 5 3. 0 2. 5 2. 0 1. 5 1. 5 1. 5 二级 2. 5 1. 5 1. 0 2. 5 2. 0 1. 5 1. 0 0. 5 1. 0 1. 0 2. 5 2. 0 1. 0 0. 5 三级
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茂名学院学报
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柱规定的保护层厚度接近。对于其它情况, 相同耐火极限条件下 , 圆钢管混凝土柱所需的防火保护层厚 度则远小于普通钢结构柱的防火保护层厚度。 2) 在相同耐火极限要求的条件下 , 方钢管混凝土柱的保护层厚度随构件截面尺寸的增大和长细比的 减小呈降低的趋势。同样 , 相同耐火极限条件下, 方钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度也远小于相对应 的钢结构柱的防火保护层厚度。 3. 2 组合楼板与钢结构楼板的比较 经过分析研究, 并与试验结果进行比较, 对压型钢板混凝土组合楼板的耐火性能 , 有以下结论 ( 1) 压型钢板 - 混凝土组合楼板的耐火性能优于钢结构; ( 2) 随着楼板混凝土厚度的增加、 混凝土强度的提高 , 耐火极限提高。 ( 3) 随着楼板含钢率的增加 , 耐火极限降低。 3. 3 组合结构耐火性能较优的原因 钢- 混凝土组合结构耐火性能一般优于普通钢结构, 其原因有几方面 : ( 1) 混凝土对钢构件的保护作用。由于钢 - 混凝土组合结构是钢和混凝土组合在一起共同作用的, 因 而其裸露钢构件的面积通常比相对应的钢结构少 , 从而使钢构件受火面积减少 , 提高抗火性能 ; ( 2) 由于混凝土的吸热作用 , 使钢构件在火灾时升温较慢 , 相应提高耐火性能 ; ( 3) 由于混凝土对钢构件的支撑作用 , 使得高温下屈服强度降低的钢构件的刚度不至于迅速降低, 钢 构件不至于很快破坏。
钢混凝土组合结构的抗火设计方法抗火设计的基本要求组合结构抗火设计的基本要求是使组合结构的钢构件耐火时间不能低于一定的数值即在小于该数值的时间范围内结构不被破坏使其抗火性能满足建筑对构件耐火极限的要求具体应满足下列三种条件之一
第 15 卷
第4期
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1) 在相同耐火极限要求的条件下 , 圆钢管混凝土柱的防火保护层厚度随构件直径的增大和长细比的 500 mm ) 的情况, 当要求耐火极限小 于 2 h 时 , 钢管混凝土柱的防火保护层厚度和∀高层民用建筑设计防火规范# ( GB 50045- 95) 中对钢结构
。பைடு நூலகம்
式中 , fyT 为钢材在温度 T 时的屈服应力; fy 为钢材在常温时的屈服应力。 图 1 和图 2 为常温时钢材应力应变曲线示意图和不同温度时钢材应力应变曲线示意图 。从图中, 我们可 以看出, 随着温度的升高, 钢材的屈服强度明显降低, 当钢材温度超过 600 时, 其强度已基本丧失。 1. 2 火灾时钢构件升温迅速 由于钢材的导热系数很高 , 使得钢材在火灾发生时升温很快 , 在短时间内即可达到很高的温度。表 1 给出标准升温曲线温度和时间的关系。 由于钢构件在高温下屈服强度和弹性模量明显降低, 而火灾发生时裸露钢构件升温速度极快, 因此 ,
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结论与建议
抗火设计是钢- 混凝土组合结构设计中不可缺少的一部分, 必须因地制宜地选择合适的防火材料和 采取有效的抗火防护措施 , 防止火灾时组合结构中裸露的受力钢构件遭受破坏, 从而保证整体结构的安 全。 4. 1 结论 通过对钢- 混凝土组合结构抗火设计方法的探讨及其与普通钢结构抗火设计方法的比较 , 可以得出 以下结论 : ( 1) 钢- 混凝土组合结构的抗火设计属于钢结构抗火设计的范畴, 其抗火设计的方法以钢结构抗火设 计方法为依据和参考 , 但是钢 - 混凝土组合结构的耐火性能优于普通钢结构; ( 2) 钢- 混凝土组合结构的抗火防护措施应根据其裸露钢构件的特点因地制宜确定, 常用的抗火防护 措施有防火涂料法、 屏蔽法和包裹防护法等; ( 3) 单纯采用耐火试验法进行钢 - 混凝土组合结构的抗火设计, 由于无法准确模拟不同构件截面、 不 同约束条件、 不同升温温度等各种情况 , 导致抗火设计时趋于保守, 并需要较高的试验费用。 4. 2 建议 根据钢 - 混凝土组合结构抗火设计的现状及其特点, 本人提出钢 - 混凝土组合结构抗火设计的几点 建议 : ( 1) 钢- 混凝土组合结构在进行抗火设计时, 应充分考虑构件的特点, 确定不同的耐火极限 ; ( 2) 应重视采用数值模拟分析与耐火试验法相结合的设计方法 , 以克服单纯采用耐火试验法的缺点; ( 3) 根据钢- 混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的特点 , 应充分发挥其优势。如: 增大混凝土部 分的截面尺寸, 降低组合柱的长细比, 等等; ( 4) 采用合理的建筑防火构造措施, 如 : 减小房间的门窗面积, 减小楼板的洞口面积 , 增大构件迎火面 的截面尺寸, 进行合理的防火分区等等 , 可有效提高建筑物的整体抗火性能 ; ( 5) 采用优质耐火钢材 , 提高构件的抗火性能。 ( 下转第 81 页)
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裸露钢构件的耐火性能
高温下钢材的强度明显降低 钢材虽然属于非燃烧材料 , 但不耐火。当温度达到 400 T ]f , (0 767ln( T 1750) y
时 , 其强度就会降低到原强度的一半; 当温
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度达 600
时, 钢材基本丧失其全部的强度。钢材在高温下的屈服应力可按下列公式采用 fyT = [ 1+ T 600 )
间范围内结构不被破坏, 使其抗火性能满足建筑对构件耐火极限的要求, 具体应满足下列三种条件之一。 ( 1) 在规定的耐火时间内, 结构构件的承载力 R 不应小于各种作用所产生的组合效应 S , 即 R ! S; ( 2) 在各种荷载效应组合下 , 结构的耐火时间 t 不应小于规定的结构耐火时间 [ t] , 即 t ! [ t] 。 ( 3) 在火灾状况下 , 结构达到承载力极限状态时的内部临界温度 T 不应小于在规定的耐火时间内结构 的最高温度[ T ] , 即 T ![ T] 。 2. 2 抗火设计的方法 钢构件抗火设计的传统方法是采用耐火试验法。其方法是首先确定建筑物的耐火等级, 然后根据耐 火等级确定受力构件的耐火极限, 再确定受力构件的防火保护措施和防火构造方法 , 通过标准耐火试验核 准其耐火极限值 , 使结构构件满足抗火要求。 1) 耐火极限的确定方法
民用建筑
第4期 2) 组合结构的一般抗火措施
李胜强 : 钢- 混凝土组合结构的抗火设计
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钢结构构件进行抗火设计时, 通常是采取措施提高钢构件的抗火性能 ,
然后用标准耐火试验核准其耐火极限值 , 使钢构件达到规定的耐火极限要求。常用的提高钢构件抗火性 能的措施有: ( 1) 防火涂料法。将具有一定厚度的防火涂料直接喷涂在钢结构构件上。防火涂料主要有两 类: 涂层厚度 8~ 50mm, 粒状表面, 密度较小 , 耐火极限 1h~ 3h 的为厚涂型防火隔热材料 ; 涂层厚度 3~ 7mm, 遇火膨胀增厚 , 耐火极限 0. 15h~ 2h 的为薄涂型防火隔热材料。喷涂法造价较低, 操作简便, 施工速 度快, 不受钢构件几何形状限制 , 具有较好的经济性和实用性 , 但是构件表面不平整 , 影响美观。 ( 2) 屏蔽 法( 图 3) 。将防火材料或防火砖设置于构件的外围, 将构件与火焰隔离。常见做法是在钢构件的迎火面 设置阻火屏障, 将构件与火焰隔开。如: 在钢梁下做防火吊顶 , 以及在钢外柱的内侧设置一定宽度的防火 板等等。这种方法美观, 无污染, 但施工速度较慢 , 适用于外露的构件。( 3) 实心包裹法。将钢构件浇注到 混凝土中。对于钢柱 , 常用的方法为浇筑混凝土或砌筑耐火砖, 完全封闭钢构件 , 以达到抗火的目的。( 4) 膨胀漆覆盖法。将具有一定厚度的膨胀漆喷涂、 抹、 刷在经过处理的构件表面。抗火极限最高可达 2h。 覆盖法施工容易 , 但不适用于潮湿的环境, 仅适用于干燥的室内。( 5) 采用耐火轻质板材作为防火外包层。 例如: 采用纤维增强水泥板、 石膏板、 硅酸钙板、 蛭石板将钢构件包覆起来。用于钢柱防火具有占用空间 少、 综合造价低的优点。 ( 6) 其他方法。根据结构的特点采用因地制宜的方法。如美国匹兹堡 65 层的美 国钢铁公司大厦的空心钢柱采用水冷却法进行防火保护等等。
时间 ( 分钟 ) 0 5 10 15 30 60 90 120 180 240 360 温度升高 ( 0 556 659 718 821 925 986 1029 1090 1133 1193 )
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钢- 混凝土组合结构的抗火设计方法
抗火设计的基本要求 组合结构抗火设计的基本要求是使组合结构的钢构件耐火时间不能低于一定的数值, 即在小于该数值的时
- 混 凝土组合结构抗火设计的方法 , 并与普通钢结构抗 火设计进 行比较 , 提出了一 些钢 - 混凝土 组合结 构抗火 设计的建议 。 关键词 : 组合结构 ; 抗火设计 ; 比较 ; 建议 文献标识码 : A 中图分类号 :TU398
近年来, 由于钢 - 混凝土组合结构具有轻质、 高强、 施工便利等优越性能, 得到越来越广泛的应用。钢 - 混凝土组合结构通常具有裸露的受力钢构件, 因而, 钢- 混凝土组合结构也和钢结构一样, 抗火设计是 结构设计中的一个非常重要的环节。 钢- 混凝土组合结构由钢 - 混凝土组合构件组成。钢 - 混凝土组合构件是指由钢和混凝土两种不同 材料组成一个整体而共同工作的构件。主要包括压型钢板混凝土组合楼板、 钢 - 混凝土组合梁、 钢骨混凝 土结构、 钢管混凝土结构、 外包钢混凝土结构等。钢- 混凝土组合结构的抗火设计主要是对其中裸露的钢 构件进行抗火设计, 它与钢结构的抗火设计有相同之处 , 又有所区别。
收稿日期 : 2005- 03- 05; 修回日期 : 2005- 04- 02 作者简介 : 李胜强 ( 1968- ) , 男 , 广东茂名人 , 本科 , 工程师 .
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钢- 混凝土组合结构的裸露受力钢构件必须进行抗火设计 , 并进行抗火防护。
表 1 标准升温曲线温度和时间的关系
Vol. 15 No. 4 Aug. 2005
2005 年 8 月
文章编号 : 1671- 6590( 2005) 04- 0069- 04
钢- 混凝土组合结构的抗火设计
李胜强
( 茂名学院建工系 , 广东 茂名 , 525000)
摘
要:
综合国内外有关钢结构和钢 - 混凝土组合结 构抗火研 究的部分试 验结果 和理论 研究成果 , 总 结了钢