钢结构抗火研究

钢结构抗火研究

李本兵

硕研12级06班 2012020620

摘要：钢结构是工程实际中应用广泛的结构形式，具有强度高、自重轻、可利用空间大等优点，但其耐火性较差，因此钢结构的抗火性能研究是重要的课题之一。文章综述了国内外有关钢结构抗火研究的主要试验结果和理论研究成果，总结了现有的结构抗火设计

关键词：钢结构；防火设计；计算方法

Study on Fire – resistance of Steel Structures

ABSTRACT: Steel structure, which has many advantage scuh as higher strength ,lighter self-weight and bigger usable space, is widely appied in engineering practices. However the fire-risistance of steel structure is low ,so the investigation of mechanical behaviors of steel structure in fire condition is one of important subjects. This paper sums up the main experimental results and theoretical research payoffs of steel structure under fire conditions ,and reviews the fire-resistance design theory, calculation methods and engineering applications of current steel structure.

KEY WORDS: steel structure ;fire resistance design; calculation method

1 钢结构的抗火设计

与混合结构、钢筋混凝土结构相比，钢结构具有强度高、自重轻、空间大、布局灵活和施工周期短等突出的优点，因此钢结构在工程实际中应用非常广泛，特别是在厂房、飞机场等大跨度结构和高层结构中。但是钢结构的耐火性较差。随着温度的提高，钢材的强度和刚度下降。而且未受防火保护的钢结构在火灾环境中升温很快，即使结构承受着室温下相对安全的荷载，也可能会在高温下迅速破坏。所以从工程实用的角度出发，必须对钢结构进行防火保护，就是在钢构件上覆盖一定厚度的防火隔热层，利用保护层良好的热工性能，减缓钢结构的升温速度，使钢结构达到高温承载极限状态的时间（即耐火时间）延长。不同等级的建筑，不同的结构构件，耐火极限不同。钢结构抗火设计的目的就是通过计算分析定量确定防火保护层厚度，使结构构件的实际耐火时间不低于规定的耐火极限。

在火灾条件下，以下因素使得钢结构的反应分析相当困难。一是材料的非线性本构关系随温度变化；二是受火空间的空气温度随时间变化，并与受火房间的热工性能、形状尺寸、开口系数和火灾荷载密度有关；三是构件中温度分布呈非线性特点；四是随温度变化的附加应力引起的未受火结构部分对受火结构部分的约束，以及这些附加力对荷载和变形的影响；五是热渗透对结构反应具有一定的影响等。

随着人们对钢结构抗火计算与设计理论研究的不断深入，钢结构抗火设计的方法在不断发展。本文综述了国内外钢结构抗火研究的发展概况、现代钢结构抗火设计计算的主要方法及目前研究的热点和难点问题。

2 钢结构抗火设计方法的发展

现代钢结构的抗火设计主要有* 种方法：基于试验的构件抗火设计方法、基于计算的构件抗火设计方法、基于计算的结构抗火设计方法和考虑火灾随机性的结构抗火设计方法。

在20世纪70年代前，钢结构的抗火设计是以试验为依据的，通过不同类型构件（主要指梁、柱）在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验，确定采取不同防火措施（如不同的防火涂料，不同的涂料厚度）后构件的耐火时间。进行结构抗火设计时，根据构件的耐火时间要求，选取对应的防火保护措施。这种基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用，但是由于试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，因此，难以分析这些因素对构件耐火时间的影响。

从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。英、美、日等国进行了考虑荷载的分布与大小及构件端部约束对构件耐火时间影响的大量计算分析。基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所采用。

基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标，认为火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是超静定钢结构体系，当结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，整体结构仍有一定的承载能力。基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的，但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法。

基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标，考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究，但成果还不多。人们认为这是结构抗火设计的发展方向。

以上4 种方法中基于试验的抗火设计方法基本上被淘汰，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的构件抗火设计方法研究已有一定的理论成果和工程应用实践，但钢构件在各种条件下的理论和试验研究还在发展。基于计算的结构抗火设计方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前钢结构抗火设计的整体发展趋势。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法的研究和工程实践还很少，是新的研究课题。以下重点讨论第二和第三种设计方法。

3 基于计算的钢构件抗火设计方法

目前对钢构件的主要防火措施是涂防火涂料或包覆防火板。由于钢材导热性好，一般假设有防火保护的钢构件内部温度为均匀分布的。由火灾环境传入钢构件的热量应等于该构件升温所吸收的热量，可建立火灾条件下构件升温的微分方程。简化求解可得标准火灾升温条件下，钢构件的瞬时内部温度. 随火灾发生时间变化的关系式式中， $0 和!0 为钢材的比热与密度； $% 和!% 为保护层的比热与密度；钢材的屈服应力和弹性模量, 随着温度升高而减小，因此钢结构的承载能力随着温度的升高而降低。欧洲钢结构协会推荐时采用下列材料参数计算。

采用确定的防火措施，设置防火被覆厚度；

（A）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度；根据高温下钢的材料参数，利用常温下的结构分析程序，分析计算构件在外荷载和温度作用下的内力；

.B 进行荷载效应组合计算；

根据构件和载荷的类型，进行构件抗火极限承载力的验算；当设定的防火被覆厚度不合适时，可调整防火被覆厚度.

4 国内外研究动态