钢结构防火设计的研究现状及发展趋势_秦彬涛

受力达到抗火的目的，如钢结构防火涂料保护法、混凝土防火保护法、
防火板保护法等。
5 钢结构抗火设计的发展趋势
目前所采用的钢结构抗火设计方法都不同程度的对实际情况进行
了简化，导致最终的试验结果并不能完全真实的反应出构件在火灾发
生时的力学性能以及承载能力.基于构件和平面钢框架的抗火研究已较
图 1 ISO834 标准升温曲线
500℃时，塑性变形便会出现，使得钢构件的承载能力急剧下降[1]。当火灾 变以及弹性模量等力学性能指标随温度的变化规律曲线。
发生时，钢构件的温度升高速率很快，因此对钢结构进行抗火设计是十
(4)对构件的抗火承载极限状态进行验算。高温下构件的极限承载
分必要的。
能力可按类似于常温下钢构件极限承载能力的计算方法进行计算，以
科技创新与应用 2012 年 7 月（中）
建筑科学
钢结构防火设计的研究现状及发展趋势
秦彬涛 （山东大学土建与水利学院，山东 济南 250000）
摘 要：本文主要综述了国内外对钢结构防火设计的研究现状和相应的研究成果，同时对其今后的发展趋势进行了简要的分析。 关 键 词 ：钢结构；防火设计；现状
1 引言
高温下结构钢的性能进行了系统的研究，研究内容主要包括：高温钢材 目前已有很多专家学者对此进行了研究分析，但能够更合理的模拟实
特性、钢结构抗火性能理论和实验研究等方面。之后，清华大学、哈尔滨 际火灾的温度变化曲线还没有被提出；(3)钢结构是一个整体，通过分析
建筑大学等单位也投入到钢结构的抗火研究中。经过几十年的发展，国 一个构件或平面框架来反应整体结构的性能是不合理的，因此需要对
是，基于构件的现代方法同时考虑了载荷的分布、大小以及构件端部的
3 存在的问题
约束。1990 年，英国建筑研究院曾对一幢 8 层足尺钢框架建筑模型进行
钢结构抗火设计方法存在着一些缺陷，例如:(1)构件的的耐火时间
了 6 组火灾试验，发现施加约束对钢结构构件的抗火性能有很大的影 并不能准确的反应实际情况中构件的耐火时间，导致在大空间建筑的
某些性能如机械性能和物理性能对温度很敏感，当温度超过 300℃时， (s)的变化曲线。
钢结构的强度和刚度会有明显的降低；当温度达到 400℃左右时，其屈
(3)确定钢材料的性能参数，计算在温度和外载荷同时作用下构件
服强度几乎降低了一半，而且弹性模量也减小了 40%左右；当温度超过 中的内力，从而得出高温下钢构件材料的极限强度、屈服极限、极限应
包覆防火涂料、添加防火板等。建立高温条件下钢构件升温的微分方
目前，钢结构在建筑工程中发挥着十分重要的作用，其具有强度 程，边界条件为外界传入钢构件的热量等于钢构件升温所吸收的热量，
高、安装便利、自重轻、跨度大以及施工周期短等优点。然而，由于钢材的 然后求解微分方程，得到高温条件下，钢构件的内部温度 Ts(℃)随时间 t
构件在钢结构中的端部约束和实际受力情况，导致很难分析出这些因 程序来完成。有限元法是整体钢结构抗火计算最通用有效的方法，它可
素对钢构件耐火时间的影响。20 世纪 80 年代之后，基于构件的现代计 以模拟出火灾中的各种因素，如几何非线性、材料非线性、温度分布不
算方法逐渐取代了传统的结构抗火设计方法。与结构抗火方法不同的 均匀以及热应变对钢结构产生的影响[4]。
极限状态来判断构件的耐火极限，并且考虑温度内力的影响，因此在分 程学院学报.2008,1(26):75-78.
析过程中不会出现基于试验钢结构抗火设计方法中的问题。在《建筑钢
结构防火技术规程》中归纳了这种方法的计算过程，具体步骤如下[3]：
(1)确定防火措施以及防火被覆厚度。
(2)对钢构件在第一步中所设定的条件下，进行内部温度计算。为了
响，在多数情况下，受约束的构件比独立的构件具有更好的抗火能力。 抗火结构设计中可能出现使用材料多余的情况；(2) 在钢结构抗火设计
在我国，钢结构抗火设计研究起步较晚。20 世纪 90 年代，同济大学 过程中，人们普遍采用标准升温曲线来模拟火灾现场温度的变化，而标
在国外钢结构抗火性能研究理论的基础上结合我国结构钢的特性，对 准升温曲线并不能真实的反应出实际火灾中温度的上升和下降阶段。
类型的构件在规定载荷分布及标准升温条件下(标准升温曲线如图 1 所 结构抗火设计是以防止整体结构倒塌为目标时，采用基于整体结构的
示)进行耐火试验，从而确定采用不同防火措施后构件的耐火时间，最后 承载能力极限状态对结构进行抗火设计更为合理。一般情况下，对整体
优化防火设计方案。这种方法的缺陷在于试验过程中难以准确的模拟 结构承载能力极限状态分析的难度很大，所以研究人员常借助计算机
2.3 钢结构抗火设计方法
科学.2011,3(20):146-151.
2.3.1 基于计算的抗火设计方法
[3]刘伟鹏.钢结构抗火设计综述[J].消防技术与产品信息.2010,12:22-25.
基于计算的钢结构抗火设计方法是通过利用高温下构件的承载力 [4]赵欣莉,薛素铎,赵磊.钢结构抗火研究现状与发展趋势[J].河北建筑工
为成熟，但基于整体钢结构的抗火分析还处于发展阶段。随着计算机技
2.2 国内外已取得的研究成果
术的迅速发展，火灾模拟技术取得了很大的进步。人们通过计算机模拟
பைடு நூலகம்
构件、节点和整体结构是国内外研究人员对钢结构抗火性能的理 火灾实验，分析整体钢结构力学性能的变化，从而改善钢结构的整体设
论和试验研究的主要对象，并取得了一定的研究成果，例如：Pentti 计，提高抗火性能。如何合理有效的解决钢结构抗火设计中存在的不足
内钢结构的抗火研究水平已接近国际水平。
结构进行三维抗火设计计算，但是目前还没有出现有效的计算方法。
4 钢结构防火保护措施
钢结构的防火保护措施主要可分为主动式和被动式两类，。主动式
防火是直接对火灾发生和发展进行限制的技术，例如防火安全设计技
术、火灾探测报警技术等；被动式防火则是通过增强构件或者材料的承
2 国内外研究概况
达到验算的目的。
2.1 国内外的研究现状
(5)重复以上步骤，确保钢结构的抗火承载能力满足要求。
国际上以构件分析的方法对钢结构抗火性能的研究最早出现在
2.3.2 基于整体的结构钢抗火设计方法
1970 年。在这之前，试验分析是抗火设计的主要依据，即对梁、柱等不同
有些情况下单个构件被破坏整体却不一定同样被破坏，因此当钢
的正确性；同济大学李国强教授所带领的课题组在钢柱、钢梁、高强度
参考文献
螺栓连接以及钢框架的抗火性能做了大量的理论和试验研究的基础 [1]江雪玲.国内外钢结构抗火的研究状况[J].研究与探讨.2008,5:10-13.
上，编制了我国首部结构抗火法规-《建筑钢结构防火技术规程》；等等。 [2]方垒,徐伟良.建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究[J].火灾
Makelaninen[2]等人利用恒载加温即瞬态抗拉的试验方法分别对 S355 和 是国内外专家一直关注的问题，在今后的一段时间内，以下几个方面将
S420M 结构钢在高温环境下进行了试验研究，并将试验结果与恒载加 是研究的重点：(1)实验设备大型化；(2)研究内容多样化；(3)考虑因素综合
温即稳态抗拉试验方法所得的试验结果进行了比较，证明了试验结果 化；(4)设计方法性能化。
使构件在高温下满足耐火极限要求，一般会有适当的防火保护措施，如
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