鋼結構建筑抗火設計研究

劉　丹

摘 要：隨著經濟的迅速發展，鋼結構在建筑中的應用也越來越廣泛。但是鋼結構抗火性能差，由于問題的復雜，目前對鋼結構的抗火設計仍沒有形成統一的規范和標準，尤其我國起步較晚，鋼結構抗火設計還存在著許多問題，本文針對抗火設計方法進行研究分析，提出合理的解決方法。

關鍵詞：鋼結構；抗火；設計

1 基于試驗的抗火設計方法

現行《高層民用建筑鋼結構技術規程》規定，梁和柱的防火保護厚度宜直接采用實際構件的耐火實驗數據；當構件的截面形狀和尺寸與試驗標準構件不同時，應按有關規定推算出保護層厚度。因此結構的抗火設計即是對比構件的保護層厚度是否滿足由試驗確定或推算得來的厚度。這種基于試驗的抗火設計方法存在以下缺陷：實驗中的標準溫度升曲線與火災情況不同；構件在結構中的受力也很難通過實驗模擬，實際構件受力各不同，實驗難以概全；未能考慮溫度應力及變形影響，未能考慮高溫下結構內力重分布的影響；未能考慮各構件相互作用的影響，即結構某一構件達到極限狀態并不意味著整體結構達到極限狀態。

因此，這種方法過于簡單，缺乏一定的科學性。此外由試驗確定的耐火時間不能完全代表實際構件在真實結構中的耐火時間，從而造成不安全或偏于保守的后果。

2 基于構件計算的抗火設計方法

這種方法以高溫下構件的承載力狀態為耐火極限進行判斷,考慮溫度內力的影響。理論研究以有限元法為主,基本上能考慮任意荷載形式和端部約束狀態的影響。目前該法已廣泛用于歐洲的鋼結構設計規范中。其設計方法如下：采用確定的防火措施，設定一定的防火空間被覆厚度；計算構件在確定的防火措施和耐火極限條件下的的內部溫度；采用高溫下鋼材料參數，計算結構中的構件在外荷載和溫度作用下的內力；進行荷載效應組合；根據構件和受載類型，進行構件耐火承載極限狀態驗算；當設定的防火被覆厚度不合適時，可調整防火被覆厚度，重復上述步驟。

這種方法克服了基于試驗設計方法的一些缺陷，但是還存在明顯的不足之處：結構是作為整體承受荷載，鋼結構抗火設計也是以"整體不倒塌"為最終目的，因此火災下單個構件的破壞并不一定意味著整體結構的破壞；沒有考慮火災下結構的整體反應特性，有些構件即使不作防火保護，整體結構也可以滿足耐火極限的要求。

3 基于結構性能的抗火設計方法

既然結構抗火設計以防止整體結構倒塌為目標，因此基于整體結構的承載能力極限狀態進行抗火設計將更為合理，由于問題的復雜性，從基于構件到基于結構不可能一步而就，目前還沒有形成基于結構性能抗火設計規范，結構火災下的整體反應分析還是熱門課題。本文結合國外一些實驗和研究成果從以下幾個方面進行探討。

3.1 火災中結構的整體作用分析

一般認為，保證結構整體不塌，柱居于最重要的地位。基于構件設計單柱時，桿件中部某截面邊緣首先屈服，繼續變形形成塑性鉸，其是將桿件中部截面邊緣屈服時平均應力狀態作為桿件的極限承載力狀態，而且還是以截面的溫度分布都是均勻理想狀態為前提的，后來，英國努力考慮結構性能抗火設計時，默認柱在火災中不會失穩，只對梁板進行抗火設計，因此對柱必須做防火保護。事實上，梁柱在火災中的整體作用很強。柱的失穩除取決于自身的軸向力外，梁的熱膨脹效應作用很大，一方面使柱在強弱軸方向均形成較大的彎矩，故柱頂或柱腳產生較大的局部應力，容易形成塑性鉸，另一方面梁膨脹將加劇P~δ效應，加速柱的失穩。

梁柱節點轉動剛度.實驗表明，火災下梁柱節點的轉動剛度對柱的性能影響很小，常溫下，梁通過剛性節點為柱提供一些抵抗彎矩的能力，但在高溫下，梁的剛度、強度銳減，當柱欲失穩破壞時，并不能有效的發揮作用。故在整體抗火設計中，可以不考慮梁柱節點剛度的影響。

梁局部屈曲.火災時，梁的熱膨脹若受到一定的限制，可能會在梁端部發生局部屈曲，而局部屈曲又可以部分緩和柱的側向位移。實驗表明，梁的溫度超過500Ｖ℃會發生局部屈曲。

梁截面、跨度及柱截面的影響.梁的跨度與結構整體性能有關，隨著跨度增加，結構的極限溫度會降低，因此必須增強柱的防火保護才能保證結構穩定性能不變。

梁截面的增加間接的加大了梁柱的溫升比率，當比率達到一定值時，結構失穩。柱的長細比對其在火災下的最不利位置影響不大，故柱的截面大小對結構的整體性能影響不大。

很顯然，樓蓋板，剪力墻，支撐等抗側體系對結構的抗火性能都會產生很大的作用。由于這種整體實驗代價太大，國外研究也還很少，力圖在有限的實驗中通過理論計算還是可能的。

3.2 塑性理論在抗火設計中的應用

鋼結構延性好，常溫下可以采用塑性設計方法，同樣這種方法可用于結構的抗火設計。

火災發生時，結構逐漸升溫，鋼材屈服溫度隨之有所降低，某些高應力部位首先進入塑性狀態，產生塑性鉸。由于結構多為超靜定結構，此時內力進行重分布，結構仍有一定的承載力。隨著塑性鉸數目增多，結構最終形成機構，達到耐火極限狀態。

基于這種塑性理論，國外研究了多種抗火設計方法，其中較為著名的有彈塑性法和上限法兩種法。彈塑性法中須重點解決兩大難題：溫度和靜載的相互作用，其中溫度是不斷變化；材料性質隨著溫度變化而變化的規律。上限法則不關心過程中結構的變形和側移，只關注極限狀態下的荷載值。這種方法同常溫下的上限法一樣，也是基于虛功方程求解，只是在虛功方程中引入荷載因子，該荷載因子也溫度有關。這種方法可分析簡單結構，如對門式剛架很有效。

基于塑性理論的任意一種抗火設計方法，都得考慮材料在高溫下的非線性行為，結構由于P~δ效應和梁熱膨脹引起的幾何非線性，因此理論分析是一件很復雜的工作，要得到解析一般是不可能的，必須借助數值工具。

3.3 計算機模擬和有限元法

火災發生過程中通過熱輻射，熱傳導及熱對流等方式形成復雜的溫度場，使結構受熱膨脹；同時較大的溫度差會產生熱沖擊波，對結構形成內壓。溫度場的非定常性導致理論分析難以精確考慮，而足尺實驗費用昂貴，因此計算機模擬研究成為熱點，前景很好。

如上所述，結構在高溫下的行為異常復雜。過去20年，國外學者試探了許多方法以分析火災中結構的整體行為，而以有限元法最為普遍和有效。因為在有限元法中，各種影響因素，如材料非線性，幾何非線性，不均勻分布，熱應變，梁柱的彈性節點等等，都可以比較方便的考慮進去。

基于試驗的設計方法已成為傳統，目前許多國家正結合試驗采用基于構件計算的抗火設計方法，但歐洲特別是英國對結構抗火性能研究較多并已逐步運用于抗火設計，畢竟這種方法還沒有形成規范，結構整體抗火性能仍是熱門研究課題，因此基于結構性能的抗火設計方法將是今后一段時間的發展方向。當然現代結構設計以概率可靠度為目標，火災的發生具有隨機性，火災發生后空氣升溫的變異性很大，因此考慮火災隨機性的抗火設計方法也尚待研究。