火灾条件下钢结构力学性能的研究

火灾条件下钢结构力学性能的研究

[摘要]钢结构因其自身的材料特性，在建筑方面得到了广泛的应用，特别是在高层建筑和工业厂房的施工中，钢结构的选择，可以大大的缩短工期，节约成本。但钢结构在高温下的材料性能的改变，为钢结构建筑的防火提出了新的要求。本文以通过对火灾条件下钢材料力学性能研究，指出在火灾条件下钢结构建筑的隐患，并提出了一些提高钢结构抗火性能的方法。

[关键词]钢结构；火灾；抗火设计；高温试验；耐火时间

1、引言

在现代建筑结构形式中,钢结构以其重量轻、强度高受到人们的喜爱，再加上钢结构的施工速度快、抗震性能好就更加被推崇。然而，钢结构也有其自身不可避免的弱点，就是它的耐火性，在高温下，钢材便无法达到保持建筑结构所要求的强度。当火灾发生时，所产生的高温达到400℃时，钢材的强度下降到室温条件的一半，而600℃时，钢结构就将完全丧失其本身的强度和刚度。所以钢结构建筑一旦发生火灾，将对其结构造成严重的破坏，甚至发生倒塌，从而引发大量的人员伤害和财产的巨大损失。所以钢结构建筑，在利用钢结构优点的同时，对其缺点的防护措施也必不可少。

2、钢结构抗火设计方法中存在的问题

2、1火灾下建筑钢结构破坏机理

第一，高温使钢材的弹性模量降低，结构钢度下降；

第二，高温使材料强度降低，甚至融化，导致结构承载能力下降；

第三，构件内部不均匀升温，使结够内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀，从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。

这三个方面的共同作用，导致建筑构件变形增大、开裂、屈曲、破坏，甚至局部或整体倒塌。

2、2荷载的分布与大小的影响

在实际的建筑过程中结构构件所受的荷载情况十分复杂，荷载的大小与分布的变化很难与实验中的标准状态一致。实验中得知，在荷载大小相同的情况下，偏心受压没有轴心受压所承受的耐火时间长；另外，如果假设荷载状态分布相同，那么钢构件承受的荷载越小，其耐火时间越长。

2、3构件端部约束状态的影响

另外一个不可忽视的因素，是杆端约束情况。由于钢构件的结构不可能独立于其他相连部件，因此，相连部件对杆端的约束的不同，也导致了钢构件所受的承载力和火灾升温时温度内力的差异，通常的钢构件抗火试验都是在标准的状态下进行的，不可能准确全面的模拟

真实构造中的千变万化的的约束情况得出各种情况下所产生的温度内力。

3、火灾条件下钢材料力学性能研究

火灾中，钢材料的力学性指标变化要远远大于钢筋混凝土结构在高温下影响下的力学性指标变化。

3、1建筑物的耐火等级

根据我国目前各地的建筑状况和消防管理现状，可将民用建筑划分为涵盖九层及九层以的下的单多层民用建筑和高于九层以上标准的高层民用建筑，按其功能可将工业建筑分为厂房建筑和仓库建筑。建筑物根据其层数的不同、规模的大小、使用性质和重要程度的区分，火灾的扑救难易程度也各不相同，同时造成的危害与危险性也相差甚远，对各类建筑物所要求的耐火能力也根据我国现行《多高层建筑钢结构设计》(GB50045—95)划分为四个等级。

3、2建筑结构构件耐火极限要求

确定结构构件的耐火极限要求时，应考虑到以下几方面因素：

（1）建筑的耐火等级。建筑物的耐火等级是对建筑防火性能的综合评价和要求要求，耐火等级越高，结构构件的耐火的极值就要求越高。《建规》将建筑物耐火等级分为四级。

（2）构件的重要性。各个构件按照其功能的重要划分，耐火的极限要求也有所区分，越重要的构件，耐火极限要求也越高，例如，楼板，梁和柱比较而言，显然，柱最重要，梁次之，最后是楼板。

（3）构件在建筑中的部位中的不同，耐火要求也不同，显然在高层建筑中，下部的构件要比上部的构件更为重要。

我国现行规范对建筑物耐火极限研究时，按照非燃烧体、难燃烧体和燃烧体三种分类来区分材料的燃烧性能。当建筑物中设有完善的自动喷水灭火系统和火灾自动报警系统全保护时，由于火灾防护系统的有效保护其柱、粱的耐火极限可以在相应标准下下调0.5h，对于高层建筑钢结构，可以根据钢柱离楼顶的距离确定不同来制定的耐火极限要求，离楼顶越远，耐火极限要求越高。

建筑钢结构的耐火极限要求

3、3高温下结构用钢的力学性能

高温条件下，对常用结构钢Q235通过一系列的力学性能测验，试验方法分为恒温加载和恒载加温两种，随着温度的升高，无论钢构件外形的形状、颜色还是内在的力学性能指标均发生了变化。其强度随着温度的升高而降低，当温度上升到600℃时由于高温对结构的破坏，其强度只有常温下的27.2％；同时弹性模量也随着温度的升高而降低，同样是600℃时只有常温的17.2％；极限强度成抛物线型变化，随温度上升的过程中，在200℃时达到峰值是常温下极限强度的123％，此后，却随着温度升高而降低，600℃时是常温状态下的23.4％；在其他数据中极限应变、延伸率、断面收缩率与极限强度相反，是先随温度升高而降低，在250℃～300℃时达到最小，约为常温下的60%到70%，而后则随着温度的升高而升高，在600℃时约为常温下的110%到130%。

4、提高钢结构抗火性能的主要方法

为了提高钢结构的耐火极限，从而减轻钢结构的火灾损失，避免钢结构建筑在火灾中因局部或整体的倒塌造成人员伤亡及救助困难，加强钢结构抗火性是解决问题的根本。

而根据上面对钢结构破坏机理、荷载的分布与大小的影响以及构件端部约束状态的影响的研究，可以将钢结构的抗火性能研究分为：被动保护和主动保护两种。

被动保护主要针对已建成的钢结构建筑，不同的钢建构建筑其承重形式不一样，而且不同钢结构构件在建筑钢结构整体中的反应存在一定的差异，不同楼层的柱(梁)，在分析中呈现出不同的反应。通过建筑钢结构火灾反应分析，我们还发现梁柱节点是一个易损部位。因此，有必要对关键构件和易损部位采取不同于其他部位的防火保护。因此对于目前已建好的钢结构建筑，必须根据不同构件的反应表现因地制宜，对关键构件进行复合保护，以达到安全及成本要求。

可以用来进行钢结构被动防火的方法归结起来主要有两大类:截流法和疏导法，如喷涂法、包封法、屏蔽法、水喷淋法、充水冷却法等。这些防火措施各有优缺点，根国内外工程实践，主要以喷涂法为主，包封法次之。

截流法与疏导法的目的，都是为了使构件在规定的时间温度升一高不超过其临界温度。

截流法是通过阻止热量向构件传输来达到目的，而疏导法允许热量传到构件匕再把热量导走来实现的。

主动保护则主要针对待建项目，由于钢结构建筑优点也较为明显，所以目前钢结构建筑应用广泛，且主要有民用建筑、高层建筑、工业厂房、库房等。在不同的建筑内，容易起火的部位不同，火灾和烟气的蔓延规律也有很大的差别。因此，火灾安全的要求重点也有所区别，因此对于新申报的钢结构建筑，应根据钢结构建筑使用特点来确定钢结构的防火安全要求。一般进行建筑防火安全设计中需考虑如下问题:根据建筑物使用中的火灾危险性采取相应的耐火等级的建筑结构，以及设置适宜的防火分隔;建筑物内部设置适当的火灾探测报警、自动灭火、防烟排烟等设备，并综合考虑与室内通风、取暖、空调及其它电气设备的搭配等。

5、结语

钢结构广泛应用于建筑结构中，本文通过浅析钢结构在高温火灾条件下的存在的一些问题，针对钢结构在火灾情况下耐火性能差的弱点，提出了一些提高钢结构的耐火极限，并根