现代钢结构抗火设计方法

现代钢结构抗火设计方法

【摘要】本文基于钢结构建筑的特点，分析了钢结构建筑抗火的设计原理和方法，论述了钢结构抗火设计的要点和具体的步骤，以期能够通过分析为我国现代钢结构的抗火设计工作提供有意义的借鉴。

【关键词】钢结构；抗火；设计；方法

一、前言

钢结构的设计已经成为了当下建筑设计的一个重点方向，在钢结构建筑设计的环节里，抗火设计成为了一个设计的关键工作。只有保证了钢结构建筑具有抗火性能，才能够提高钢结构建筑的整体质量。

二、结构附火极限

长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需要考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火(对结构更适合称抗火)问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡.然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件(如梁、楼板、楼梯等)在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。因此，各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间(或耐火极限)的规定。表1是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。

表1建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限

三、钢结构抗火设计的目标与意义

钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。在火灾高温下,结构钢的强度和刚度都将迅速降低(见图1),而火灾升温迅速(见表1),故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此,钢结构抗火设计的一般要求是:如何定量地确定防火保护措施,使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

表2ISO834标准升温曲线温度时间关系

进行结构抗火设计具有如下意义:

1、减轻结构在火灾中的破坏,避免结构在火灾中，局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；

2、避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；

3、减少火灾后结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。

注:ET、E——高温和常温下钢材的弹性模量

fyT、fy——高温和常温下钢材的屈服强度

图1fyT/fy、ET/E随温度的变化

四、传统钢结构抗火设计方法

这种方法是基于试验的构件抗火设计方法，该方法以试验为依据，对构件在一定荷载分布与标准升温条件下进行耐火试验，从而确定采取不同的防火保护措施后构件的耐火时间。通过进行一系列的耐火试验，可确定各种防火措施下构件的耐火时间。进行钢结构抗火设计时，可根据不同构件的耐火时间要求，直接选取相应的防火保护措施。这种方法简单、直观，我国现行GBJ16-87《建筑设计防火规范》中关于梁和柱的防火措施的要求正是基于此法。然而该试验方法存在很多缺陷。

1、构件的端部约束难以实现。钢梁在整体结构中受到相邻构件（柱子）对其的约束构件端部约束状态不同，构件的承载力以及火灾升温所产生的构件温度内力将不同，而这两方面对钢梁的耐火时间有重要的影响，结构中构件的端部约束千变万化，试验很难全面准确的模拟。

2、钢梁上的荷载分布及大小难以模拟。而荷载分布及大小对构件耐火时间的影响很大，实际构件受力各不相同,试验难以概全。

3、结构的耐火时间基于ISO834升温曲线确定,而现有的研究表明真实火灾与火荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关,ISO834曲线并不能反应火灾的真实情况。而火灾升温曲线对结构耐火时间有很大影响。

4、构件受火后在结构中会产生温度应力,而这一影响在构件试验中也难以准确反映。

鉴于试验的上述缺陷,结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法,转为基于计算的现代方法,特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大规模地开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。

五、现代抗火设计方法

1、基于计算的构件抗火设计方法

为考虑荷载的分布与大小及构件的端部约束状态对构件抗火时间的影响，可按所设计结构的实际情况进行一系列构件的耐火试验，但这样做的费用非常昂贵。为解决基于试验的构件抗火设计方法中存在的问题，钢结构构件抗火计算理论研究引起了很多研究者的重视，并相应开展了大量的研究。这种抗火设计方法虽然克服了基于试验设计方法的一些缺陷，但其自身仍然存在一些缺陷。

2、基于计算的结构抗火设计方法

结构的主要功能是作为整体来承受荷载的。正如前面所述，火灾下结构中单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，但整体结构仍具有一定继续承载的能力。

基于计算的结构抗火设计方法是个相当热门和广阔的研究领域。国内外的研究学者都广泛地开展了关于火灾下结构反应和结构抗火设计的理论研究、试验验证和参数分析的研究工作。但许多方面的研究还处于初级阶段，且各项的研究成果也未能形成统一的、切实可行的理论体系，多半处于从点到线的发展阶段。因此目前也还没有提出适用于工程实用的且被有关规范所采纳的一套整体抗火设计方法。

3、考虑火灾随机性的结构抗火设计方法

现在的结构设计是以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有较大的随机性，且火灾发生后空气升温过程的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须要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它相关学科的研究，因此在这方面的研究和工程实践还很少，成果也不多。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚有待于进一步研究，但是它是结构抗火设计的发展方向。

六、钢结构设计中的防火设计策略

钢结构的防火保护措施可以分为主动防火和被动防火两大类。

主动防火是指采用直接的措施来限制火灾发生和发展的技术，如建筑物的烟气控制技术、防火安全设计技术、火灾探测报警技术、喷水灭火或其他灭火技术等。

被动防火主要指采用间接的措施延缓钢构件到达临界温度的时间，如提高建筑构件耐火性能、钢结构防火涂料保护法、防火板保护法、混凝土防火保护法、内部通水冷却法、设置卷材保护法等，它们通过阻断热流或减小热流传播速度来