基于計算的鋼結構抗火研究

鄧曉華

(河北省邢臺公安消防支隊，河北 邢臺 054000)

1 引言

鋼材雖為非燃燒材料,但鋼不耐火,當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時,一旦發生火災,結構很容易遭到破壞。從而導致整體結構的坍塌，由此可以看出,火災對鋼結構的建筑有較大的危害。

2 鋼結構抗火設計的目標與意義

鋼結構在我國有著廣泛的前景。但也存在很多的制約因素，其中最主要的一個是:鋼結構的耐火性差。試驗證明，當溫度為400℃時，鋼材的強度降至原強度的一半;溫度超過600℃時，鋼材基本喪失其全部強度結構喪失承載力。所以，要推廣鋼結構，首先必須研究解決它的抗火問題。

3.基于計算的構件防火設計方法

基于計算的構件防火設計方法，要求考慮高溫下建筑用鋼的力學性能的變化，確定鋼結構的防火極限狀態，直至找到最經濟的保護層厚度。

3.1 鋼結構耐火極限狀態及防火設計設計要求

一、當滿足以下條件之一時，則認為鋼結構構件達到防火承載力極限狀態：

（1）軸心受力構件截面屈服；（2）受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構；（3）構件喪失整體穩定。

二、火災發生到結構或結構構件達到防火承載力極限狀態的時間為結構或結構構件的耐火時間。

三、結構的防火設計應滿足下列要求之一：

（1）在規定的結構耐火極限的時間內，結構或構件的承載力應不小于各種作用所產生的組合效應Sm,Rd≥Sm

（2）在各種荷載效應組合下，結構或構件的耐火時間應不小于規定的結構或構件耐火極限tm,td≥tm

（3）結構或構件的臨界溫度應不小于在耐火極限時間內結構或構件的最高溫度Tm,Td≥Tm

3.2 真實火災條件下構件耐火極限的計算公式

3.2.1 等效耐火時間的計算方法。國內標準和國際標準目前都采用上述最后一種方法確定建筑結構的耐火性能，即采用與標準火等效受火時間法。這種方法比較好地解決了真實火災與標準火災之間的關系，即可根據實際情況通過計算確定所需耐火時間，又可采用標準試驗方法進行驗證。

等效受火時間法是定義標準耐火試驗受火時間的一種手段，可以用于度量火災條件下構件所應具備的耐火時間，但不能用于構件的溫度場和承載力分析計算。它給出的構件的臨界溫度與所考慮的房間火災中構件的臨界溫度相同，該臨界溫度可以是被保護的鋼結構構件的鋼材溫度。

考慮發生火災的概率、結構倒塌的后果、火災的不完全燃燒因素和滅火系統的影響，可得到等效耐火時間的計算式。

式中：qf：等效火災荷載密度,MJ/m2;ks：與空間邊界構件的熱導率、比熱容和密度有關的熱慣性系數；kc：考慮火災荷載燃燒程度的燃燒系數；wf：通風系數；rp：火災的發生概率系數；rd：火災引起結構倒塌的后果系數；rw：自動噴水滅火系統的作用系數。

3.2.2 鋼結構構件耐火極限驗算

由于真實的火災溫度時間曲線變化很大，主要取決于火災荷載密度和通風條件。另外，火災中傳遞到構件上的總熱量取決于構件所接受的熱通量。測試爐傳熱的輻射部分與真實火災相比有所差異，不可能在大范圍的真實火災條件下進行構件測試。因此，驗算時可以根據基于和真實火災發展特性等效的標準溫度—時間曲線進行。

火災下的有效荷載就是構件在火災時實際承受的荷載。火災時構件承受的荷載對其耐火極限有很大影響。有效荷載大，耐火極限低；反之則高。梁、板和柱構件是按照極限狀態設計表達式來設計的，具有較高的安全度。但考慮到火災是構件在使用期內可能遭受到的偶然、短期作用，火災中人員的主動疏散等，其安全度可適當降低。因此，可以采用荷載的長期效應組合作為計算構件耐火承載力的荷載。荷載的長期效應是指永久荷載標準值加上可變荷載的“準永久值”所產生的荷載效應，見下式：

式中：GG：永久荷載的荷載效應系數；GX：永久荷載的標準值；CQi：第i個可變荷載的荷載效應系數；φQi：第i個可變荷載的準永久值系數，按建筑結構規范取值，對避難層、上人屋面的人群活荷載、風荷載取1.0；QiK：第i個可變荷載的標準值；rw：風荷載分項系數，取0或0.3，選不利情況；Cw：風荷載效應系數；Wk：風荷載標準值;rF：溫度效應的分項系數，取1.0；CF：溫度效應系數；△T：構件或結構的溫度變化。

在進行荷載組合時，一般不再考慮同時發生地震等偶發事故。因此，構件的耐火極限計算時，只考慮火災這一單一偶發事件的作用。

結論

本文在總結過去的研究成果基礎上，結合建筑高度、用途等和建筑物內的實際火災荷載、通風條件等因素，給出了鋼結構單一構件的耐火時間計算方法，以及鋼結構構件的耐火驗算方法，但其實用性還未得到驗證，需要相關科研機構進行相關的實驗以證明其可靠性.

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