建筑结构耐火设计(一、二)

143N
/ mm2
2、计算临界温度Tc
（2）包封法—用防火材料把构件包裹起来形成保护层
包封材料：防火板、混凝土、砖、钢丝网抹耐火砂浆 适用范围：梁、柱和压型钢板楼板
耐火轻质板材
石膏板、蛭石板、 硅酸钙板 纤维增强水泥板等
硅铝酸棉毡 岩棉毡 玻璃棉毡等
（3）屏蔽法—把钢构件包藏在耐火材料组成的墙 或吊顶内。
适用范围：柱、梁
（二）疏导法
不同类型防火涂料的适用范围
《钢结构防火涂料应用技术规范》第2.0.4条 ：
采用钢结构防火涂料时，应符合下列规定： 一、室内裸露钢结构、轻型屋盖及有装饰要求的钢结构,当规 定其耐火极限在1.5h及以下时，宜选用薄涂型钢结构防火涂料。 二、室内隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构，当规 定其耐火极限在1.5h以上时，应选用厚涂型钢结构防火涂料。
Ts (t
t)
Ts (t)
D
S V
t
Cs s
1
1
T (t)
Ts (t)
S 1 D V 1
α— 截面-材料综合系数
临界温度Tc
选定α试算
耐火时间t
Ts
(t
t)
Ts
(t)
t Cs s
T
(t)
Ts
(t)
P19:表2-4
Tc(℃) 60 65
350 360 370 380 390 400 410 420 430 440
824 756 697 647 603 564 529 498 471 446 423
851 781 720 668 622 582 546 514 486 460 437 879 806 744 689 642 600 564 531 501 474 450 908 832 768 712 663 620 581 547 517 489 464
解：
y
l0 iy
8000 99.6
80.3
查附表3-2求φ值得： 0.688
crT
N
A
2400103 0.688 21520
162N
/ mm2
Tc 905 690 crT / f 905 690 162 / 215 385℃ 即：火灾中该柱的温度达到385℃时，柱子失效破坏。
四、标准升温条件下钢结构耐火保护层厚度计算 （一）标准升温条件下钢构件温度计算
（二）标准升温条件下保护材料厚度计算
1、保护材料的性质与分类
性
热物理参数
质
平衡含水率β
密度
导热系数
比热 c
◆ 常用保护材料在高温下的热物理参数和平衡 含水率见（表2-3）
保护材料的分类
（1）按吸热能力分
（2）按含水率大小分
轻型材料 吸热材料
干保护材料 含水保护材料
轻型材料：吸热能力较小可忽略 干保护材料 ：不计含水量对构 件温度的影响
（2）吸热干保护材料
CSD 2Cs sV
D S V
1
1
4K
S
2
/
D
V
2K S
V
式中：K C 2Cs s
（3）含水保护材料
含水保护材料与干保护材料计算有何不同？
tV
D 2 5
❖含水保护材料计算与干保护材料相同，只需在升温 时间中扣除水份蒸发时间tv。
按干保护材料计算厚度D’
1 1 4K S 2 /
吸热：D
V
2K S
V
(D)2 25
轻型：D S V
Yes
No
D D
求滞后时间tv
tV
D 2 5
用(t-tv)代替t查表 求α，重算D
（三）构件的截面系数（S/V）
S / V－构件单位长度内受火 面积S与其体积V之比
D S V
▲ 表示构件的吸热能力
▲ 截面系数S/V越大，构件吸热 越多，构件耐火性越差 。
图为标准升温条件下工字形 截面达到550℃所需时间与 截面系数的关系
表2-5 截面系数S/V值
四面喷涂 三面喷涂 四面包封
三面包封
（四）标准升温条件下保护层厚度D的计算
Tc—t 法计算步骤：
1、计算构件的临界应力σcrT
2、计算临界温度Tc
Tc
905
690
crT
f
轴压构件： crT
N
A
简支梁： crT
状态时，其截面上的最大正应力。
905◦C）
Tc
905
690
crT
f
（若Tc＞550℃，取 Tc ＝550℃）
计算Tc的关键：求解火灾下临界应力σcrT
构件的临界应力的计算：
（一）轴心受拉构件
crT
N A
（三）受弯构件
crT
Mx
xWx
简支梁
（二）轴心受压构件
crT
2M 0
3 xWx
一端固定一端铰支梁
钢结构耐火性能差的主要原因：
高温下材料强度、弹性模量降低 钢构件多为薄壁状，火灾中升温快 钢材导热系数大，更易损伤内部
钢材：45W/（m ·℃） 混凝土：1.3~1.7W/（m ·℃）
二、钢结构耐火保护方法
根据保护原理不同分为：截流法和疏导法
（一）截流法
原理：截断或阻滞火灾产生的热流量向构件传输， 使构件在规定时间内的温度不超过临界温度。
1、假定
钢构件表面温度计算模型
（1）保护材料外表面的温度 等于炉内平均温度T(t)；
△Q2 △Q1
（2）保护材料内温度线性分布； 钢构件截面温度均匀分布。
（3）传入的热量全部消耗于提 高构件和保护材料的温度。
△Q
T(t)
TS(t)
保护材料 钢构件 标准耐火试Hale Waihona Puke Baidu炉
2、导热方程的建立
由传热学： q dT
JF—206 钢结构膨胀型防火涂料
涂防火涂料的钢柱： 涂层厚度 0.67 1.33 1.99 3.32 4.15
耐火极限 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
我国现行规范（处方式）设计方法及特点
1.设计步骤： 选定耐火等级 确定耐火极限 设计承重构件 校准耐火极限
2.该设计方法的特点： * 优点：简单 * 缺点：
Mx
xWx
3、由Tc、t查表2－4得综合系数α
4、将α带入公式求得D
D S V
1
1
4K
S
2
/
D
V
2K S
V
【例】某Q235简支钢梁，截面为Ⅰ32a型钢（γx=1.05， Wx=692cm3），跨中弯矩设计值M=104KN•m， 求下面两种保护方案下耐火时间为90min时所需 的保护层厚度。
t（min） 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
578 532 491 456 426 389 374 353 334 316 300 601 552 510 474 442 414 389 366 346 328 312 624 573 529 492 458 429 403 380 359 340 323 647 594 549 510 475 445 418 394 372 353 335 671 616 569 528 493 461 433 408 386 365 347 695 638 589 547 510 477 448 422 399 378 359 720 661 610 566 528 494 464 437 413 391 371 745 684 631 586 546 511 480 452 427 404 384 771 707 653 606 564 528 496 467 441 418 397 797 731 675 626 583 546 512 483 456 432 410
450
460 470 480
700 634 727 658 755 684 783 709 812 735 842 762 872 789 903 817 935 846 967 874 1000 904
1034 934 1068 965 1108 997
表2-4 截面-材料综合系数α值 [W/(m3·℃)]
1）耐火等级选择不易操作
2）耐火极限要求不够合理 3）构件实有耐火极限的确
定方法不够科学
（二）性能化防火设计
确定性能安全目标，运用消防安全工程学的原理， 对建筑物的火灾危险性进行综合分析。预设各种可 能起火的条件和由此所造成的结果，对消防安全工 程措施加以评估，从而核准预定的消防安全目标是 否能够达到。
吸热材料：计算构件温度时应考
虑其吸热影响
含水材料：计算保护层厚度时应
考虑含水量的影响
按吸热 能力分
分
类
按含水 率分
轻型材料 吸热材料
满足
CSD 1 2Cs sV 4
不满足
干保护材料 含水保护材料
满足
D2 25
不满足
S 1 D V 1
2、保护材料厚度的计算公式
（1）轻型干保护材料
吸热能力可忽略，令ξ=0
结构性能化设计： Rf S f
具体环境具体分析，具体构件具体分析。
结构性能化设计步骤：
计算火灾特性（T－t）
计算构件温度场
计算构件抗力Rf
常温： R S
火灾：Rf S f
over Y
Rf≥Sf
N 建立抗 力模型
计算荷载效应Sf
第二节 钢结构耐火设计
一、裸露钢结构的耐火性能
我国部分钢结构在火灾中的倒塌案例
crT
N
A
crT
M0
2 xWx
两端固定梁
Tc
905
690
crT
f
影响临界温度（临界应力）的因素：
•有效荷载：大小、形式、作用位置 •构件的截面形状、尺寸 •受力状态 •约束条件
【例题2-2】工型截面Q235钢柱，受轴压力2400KN， 截面面积21520mm2，计算长度8m，弱轴回转半径 iy=99.6mm， 求该柱的临界温度Tc。
（1）作周边喷涂保护，涂料为轻干保护材料， 参数为：
0.1W m C,C 900J kg C, 450kg m3
（2）石膏板包封，保护材料参数：
0.2W m C,C 1700J kg C, 800kg m3 , 20%
解：
1、计算临界应力σcrT
crT
M
x Wx
104106 1.05 692103
dx
△t内，由保护材料传入构件的总热量：
Q
qSt
D
T (t)
Ts (t)St
△t内，钢构件吸热：
Q1 CssV Ts t tTs t
△Q2 △Q1
△Q
T(t)
TS(t)
△t内，保护材料吸热：
Q2
CSD
Ts
t
t Ts
2
t
T
标准耐火试验炉
不计热损失（假定3）：△Q=△Q1+△Q2
3、标准升温条件下钢构件温度计算方程
火灾日期
建筑名称
1969.12 1973.05 1986.01 1987.04 1993.05 1998.05 2003.04
上海文化广场 天津市体育馆 唐山市棉纺织厂 四川江油电厂俱乐部 上海某纺织厂房 北京玉泉营环岛家具城 青岛即墨正大公司熟食加工车间
倒塌 时间 15 min 19 min 20 min 20 min 15 min 15 min 30 min
第五章 建筑结构耐火设计
第一节 建筑结构耐火设计方法 第二节 钢结构耐火设计 第三节 钢筋混凝土构件截面温度场 第四节 钢筋混凝土柱的耐火计算 第五节 钢筋混凝土梁的耐火计算
第一节 建筑结构耐火设计方法
一、设计方法简介
◆ 处方式防火设计 ◆ 性能化防火设计
（一）处方式防火设计 以现行规范为依据（规范条文即处方）：
1、假定
（1）保护材料外表面的温度 等于炉内平均温度，即
T (t) 345log( 8t / 60 1) 20
1200 1000
800 600 400 200
0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
标准升温曲线
标准升温曲线温度值
t (min) T (℃)
5 10 15 30 60 90 120 180 240 576 679 738 841 945 1006 1049 1110 1333
原理：设法导走或消耗掉已 传到构件上的热流量，从而 使构件在规定的时间内温度 不超过临界温度。
具体方法：充水冷却保护法
【工程实例】
美国堪萨斯州银行大厦 美国匹兹堡钢铁公司大厦
三、钢构件的临界温度Tc
临界温度（Tc）：指构件在火灾时有效重力荷载作用下遭
受火烧而达到承载力极限状态时的温度。
临界应力（σcrT） ：指构件遭受火烧达到承载力极限
规范中规定了具体的参数和指标，根据建筑物的情 况“照方抓药”，从规范中直接选定设计参数和指标 。
【处方式设计举例】
根据《建筑设计防火规范》表5.1.1 ： 耐火等级为二级的建筑，其柱的耐火极限不低于2.5h。
钢筋混凝土柱：
截面尺寸 240×240 300×300 200×400
耐火极限 2.00 3.00 2.70
分类：喷涂法、包封法和屏蔽法
（1）喷涂法
优点：适用范围广，可用于任何一种钢构件的耐火保护 缺点：污染环境，易脱落，耐久性差
防火涂料的类型
类型
组成及防火原理
耐火极限 厚度 （h） （mm）
膨胀型 有机材料组成，遇火后发泡膨胀， （薄型） 形成多孔碳化隔热层
0.5~1.5
2~7
非膨胀型 无机材料组成，涂层受热不发 （厚型） 泡，依靠材料低导热性而隔热 0.5~3.0 7~50