钢结构抗火计算与设计第三章

分隔构件耐火极限的判定条件
• 分隔构件，如隔墙、吊顶、门、窗等，当构件失 去完整性或绝热性时，构件达到耐火极限。也就 是说，此类构件的耐火性由完整性、绝热性两个 条件共同控制。
承重构件耐火极限的判定条件
• 承重构件，如梁、柱、屋架等，此类构件本身没 有隔断火焰的作用，所以用失去稳定性单一条件 来判断承重构件是否达到耐火极限。
建筑构件的耐火试验—压力条件
试验开始10min后，炉内应达到下述正压条件：
水 平 构 件 —— 在 试 件 底 面 以 下 100mm 处 的 水 平 面 上 应 保 持 10±5Pa的正压力。 垂直构件——在试件2/3高度以上范围内应保持正压，在炉内3m 高度、距试件表面100mm处应保持20±5Pa的压力。
建筑构件的耐火试验装置 加载设备
•对试件加载，应包括能模拟均布加载、集中加载、中 心加载或偏心加载；
建筑构件的耐火试验装置 测量仪器
• 温度测量仪器：热电偶 •炉内温度测量 •试件被火面温度测量 •试件内部温度测量
• 压力、变形测量仪器：压力传感器等 •气体压力测量 •试件变形测量
建筑构件的耐火试验过程
构件的耐火极限
• 建筑构件的耐火极限是指构件在标准耐火试验中， 从受到火的作用时起到失去稳定性或完整性或绝 热性（隔火作用）止，这段抵抗火作用的时间称 为构件的耐火极限，一般以h计。
构件失去承载能力或抗变形能力
• 失去稳定性是指构件在试验过程中失去承载能力或抗变形能力， 此条件主要针对承重构件。 • 墙——试验中发生塌垮，则表示试件失去承载能力。 • 梁或板——试验中发生塌垮，则表示试件失去承载能力。试件最 大挠度超过L/20，则表示试件失去抗变形能力。 • 柱——试验中发生塌垮，则表示试件失去承载能力。试件轴向压 缩变形速度超过3H（mm/min），则表示试件失去抗变形能力。 其中H为试件在载炉内的受火高度，单位以米计。如某钢筋混凝 土柱，炉内的受火高度为3m，如其变形速度超过9mm/min，则 该柱失去抗变形能力。
立式炉
耐 火 试 验 炉 墙 炉
—
主要用于竖向构件的火灾试验，如承重 墙和隔墙等，这种构件是一面受火
耐 火 试 验 炉 柱 炉
—
主要用于柱和墙的火灾试验，这种构 件多是所有面均受火
耐 火 试 验 炉 梁 （ 板 ） 炉
—
耐火构件试验馆
柱 炉
柱炉 ←墙炉
←墙ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ炉
墙
墙板炉 板
炉
防火门试验
防火门试验
注意：规定正压的目的是为了在炉内与试件背火 面形成压差，便于测试试件的完整性是否破坏。
建筑构件的耐火试验—加载条件
承重构件的试验荷载，应按以下条件之一来确定 试件的工作荷载； 试件的设计荷载； 试件的试验荷载。
加载形式
对于不同构件，应按下述形式加载。 墙——垂直加载。荷载沿试件的整个宽度通过加载 设备均匀加载。 楼板和屋面板——均布加载。其任何单点的荷载不 得超过总荷载的10％ 梁——垂直加载。从梁端起，在总长度1/8、3/8、5/8 、7/8处四点加载。加载点的最小间距为1m。该荷载应 通过荷载分配板传送到梁上，板的宽度不得超过 100cm 柱——垂直加载。中心受压柱应从柱轴线方向施压 ，偏心受压柱，应偏心加载或中心加载和偏心加载相 结合
ISO 834及ASTM-E119两种标准升温曲线的区别不仅在于它们在各 时刻对应的温度不同，而且它们所规定的实验炉构造和温度的测 量方法也不完全相同，比较这两种标准火的严重性时，不能简单 地只对各自对应时刻的温度进行比较，Harmathy等经过研究发现， ASTM-Ell9标准火比ISO 834标准火稍微严重一点。
临
墙
2F 民房
衡 州 大 厦
衡 州 大 市 场
一楼储有大量 的电器、橡塑制 品以及烟酒、糖 果、红枣、八角、 木耳等副食品
江 路
居 民 楼
9F
大门
商 住
楼
环球家俱广场
临
江
路
备注:
水泥墩
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湖南省衡阳市“11.3”特大火灾坍塌事 故
坍塌现场全景图
建筑构件火灾试验的目的
确定构件抵抗火灾的能力，即构件 的耐火性能。 耐火极限是建筑构件的耐火性能的 主要指标，目前通过标准火灾试验来 确定。
正在进行防火玻璃测试
建筑构件的耐火试验装置 燃烧系统
构件火灾试验时，所耗热量是由燃烧系统燃烧燃料 提供的。燃烧系统的功能直接影响到炉内升温条件 和炉内温度的均匀性。燃烧系统是试验装置的重要 组成部分。
建筑构件的耐火试验装置 燃烧系统
• 燃料的选择:天然气、煤气等气体燃料 • 喷嘴的设置：应该小而多，且喷口要互相错开 • 炉温控制方法主要是通过增减燃烧喷嘴的数量、 调节喷嘴的油压及风压，调整烟道闸板的位置
第三章 建筑结构构件耐火极限 与建筑构件的标准耐火试验
• 耐火极限的定义 • 建筑构件耐火极限的试验条件 • 试件要求 • 试验装置
北
9F
居民楼
居民楼
8F
商住楼
3F
湖南省衡阳市衡州大厦[11.3] 特大火灾坍塌事故现场平面图
2003.11.3
火灾发生地
门面 6F
1F
配电房 锈蚀 4F
居 民 楼
承重分隔构件耐火极限的判定条件
• 承重分隔构件，如承重墙、楼板、屋面板等，此 类构件具有承重、分隔双重功能，所以构件在试 验中失去稳定性或完整性或隔热性任何一条时， 构件即达到耐火极限。它们的耐火极限由三个条 件共同控制。
见课本P44
建筑构件耐火极限试验
• 国家标准《建筑构件耐火试验方法》（GB9978—88）规 定，耐火极限的判定，分为分隔构件、承重构件以及具 有承重、分隔双重作用的承重分隔构件。 • 《建筑构件耐火试验方法》规定了标准耐火试验必须遵 循的升温条件、压力条件、约束条件、受火条件和试件 要求等。 • 只有按照这些标准试验条件进行试验，所得耐火极限才 是可靠的，并与其他构件具有可比性。
• • • • 试件设计、安装及加荷 试验的开始和结束 测量与观察 试验报告
标准升温曲线与等效爆火时间
国际标准组织制订的ISO834标准升温曲线，其 表达式如下：
升温段
降温段 t t h dTg 10 .417 ℃ min dt
dT g dt
T g T g 0 345 log 10 8t 1
1—油池；2—输油管；3—高位油箱；4—溢油管；5—油泵；6—送油干管；7—卧式炉油管； 8—立式炉油管；9—喷嘴；10—风机；11—风管；12—卧式炉；13—立式炉；14—烟道； 15—烟囱；16—烟道闸板
火灾试验炉
火灾试验炉应满足试件最小尺寸、升温条件、压 力条件以及便于试件安装与试验观察的要求。 若要完成上述各种构件的火灾试验，实验室一般 应包括四种耐火炉
建筑构件的耐火试验—试件要求
• 养护与干燥：
建筑构件的耐火试验装置
• 包括耐火试验炉、燃烧系统、加载设备、测温仪 器、测压仪器、变形测试仪器以及试验框架等。
建筑构件的耐火试验工艺流程
试验炉的燃料油从油池1 用油泵5经输油管2打入 高位油箱3。使用时，打 开输油管7、8的阀门， 油因自重流至喷嘴9，油 在喷嘴里与风机10送来 的高压空气混合，形成 雾状进入炉内，点燃即 可开始试验。燃烧产生 的烟气由水平烟道14经 过烟道调节闸板16由烟 囱15排入大气。油和风 供给量是通过阀门来控 制。炉温可在大型显示 牌上显示，并自动打印 出来。
梁——4m跨度；
柱——3m高。
建筑构件的耐火试验—试件要求
• 数量：试件数量1个。如果构件约束、边界条件 不同，则应按下述规定处理。
墙——两侧都要求耐火的不对称构件，应分别对两侧受火 进行试验。如果事先可确定一侧为受火弱面，也可只对弱 面进行一次试验。 楼板及屋面板——在实际使用中如约束条件不同，应增加 相应试验。 梁和柱——在实际使用中若端部约束条件不同，应增加相 应试验。
标准热荷载的定义如下
HE

0
Q w dt
T T0 345 lg( 8t 1)
120 180 240 300 360
t(min)
建筑构件的耐火试验—升温条件
炉温允许偏差及炉温均匀性要求，偏离温度－时间 标准曲线的偏差值d由下式确定
d
A B B
100
A 实际平均炉温曲线下的面积，B 标准升温曲线下的面积。
当t≤10min时，要求d≤15%；当10＜t≤30min时，要求d≤10% ；当 t＞30min时，要求d≤5% 。
建筑构件的耐火试验—构件约束及 边界条件
• 对非承重构件，当构件实际使用中不受边缘约束 时，则在试验中试件边缘用无约束作用的材料密 封；当构件实际作用中受边缘约束时，则在试验 中试件边缘应能反映实际使用情况。 • 对于承重构件，应能反映实际情况。
建筑构件的耐火试验—受火条件
墙壁、隔板和门窗——一面受火； 楼板、屋面层和吊顶——下面受火；
t h 30 min 30 min t h 120 min
t h 120 min
t t h
4.167 3 t h 60 ℃ min
dTg dt
4.167 ℃ min
美国和加拿大采用的为ASTM-E119标准升温曲 线，可近似地用下式表示：
T g T g 0 1166 532 exp 0.01t 186 exp 0.05 t 820 exp 0.2t
建筑构件的耐火试验—升温条件
火灾试验采用明火加热，试件受到与实际火灾 相似的火焰作用。 试验时，炉内温度的上升随时间而变化，其表 达式为
T T0 345 lg( 8t 1)
建筑构件的耐火试验—升温条件
1200 1000 800
T-T 0 (℃ )
600 400 200 0 0 60
二、等效爆火时间
采用标准升温曲线可以给结构抗火设计带来很大方 便，但标准升温曲线有时与真实火灾下的升温曲线相 差甚远，为更好的反映真实火灾对构件的破坏程度， 而又保持标准升温曲线的实用性，于是就提出了等效 爆火时间的概念，通过等效爆火时间将真实火灾与标 准火联系起来。 等效爆火时间的确定原则为，真实火灾对构件的破 坏程度可等效成相同建筑在标准火作用“等效爆火时 间”后对该构件的破坏程度。 构件的破坏程度一般用构件在火灾下的温度来衡量。
横梁——两侧和底面共三面受火；
柱子——所有垂直面受火。
建筑构件的耐火试验—试件要求
结构：试件所用材料及制作与安装方法，应足以反映构件在 实际中的使用情况。 尺寸：试件应与实际尺寸相同。如果构件尺寸大于试验炉所 容纳的尺寸，则试件在炉内暴露部分的尺寸不得小于下述规 定：
墙——3m高×3m宽； 楼板及屋面板——四面支承；4m长×3m宽；
最初，Ingberg(1928)从火灾传给构件的热量与火 灾的温度和持续时间有关出发，认为当标准升温曲线与 时间轴和时刻te所围成的曲线多边形的面积同真实火灾 下的升温曲线与时间轴所围成的曲线多边形的面积相等 时，时间te就是等效爆火时间
Harmathy等经过大量研究后发现，可以用作用在火 灾房间壁面(楼板，顶板和墙壁)的“标准热荷载” 来更精确地描述火灾的破坏力。通过真实火灾与标 准火作用构件的“标准热荷载”相等来确定等效爆 火时间
构件失去完整性
• 失去完整性是指分隔构件（如楼板、屋面板、门、 窗、墙体、吊顶等）当其一面受火作用时，在试 验过程中，构件出现穿透性裂缝，火穿过空隙， 火焰穿过构件，使其背面可燃物起火。这时，构 件将失去阻止火焰和高温烟气穿透或阻止背面出 现火焰的性能。此时可认为构件失去完整性。
构件失去绝热性
• 失去绝热性是指分隔构件失去隔绝过量热传导性 能。 • 在试验中，试件背火面测点的平均温度超过初始 温度140℃，或背火面任一测点温度超过初始温 度180℃时，均认为构件失去绝热性。
建筑构件的耐火试验—升温条件
面积A、B 的计算方法：
试验开始10min内，时间间隔小于1min； 在10～30min内，时间间隔小于2min；
在30min以后，时间间隔小于5 min。
在此时间间隔下，把各间隔内温度曲线下的面积相 加即得A、B 在头10min之后的任何时间内，对于不燃结构， 炉温单点最大允许偏离标准曲线不大于±100℃；对于可燃结 构，最大允许偏差不大于±200℃；