大跨度建筑鋼結構性能化抗火設計的方法研究

朱 思 佳

(重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

大跨度建筑鋼結構性能化抗火設計的方法研究

朱 思 佳

(重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

介紹了大跨度建筑的火災特點，結合大跨度鋼結構自身的特點，分析了火災中鋼結構的穩(wěn)定性承載力及臨界溫度和耐火極限，提出應當采用各種技術手段，對大跨度建筑鋼結構進行科學的性能化抗火設計，以保障大跨度鋼結構建筑的防火安全。

大跨度建筑，鋼結構，抗火設計

隨著社會的發(fā)展，我國城市化建設的速度不斷加快，建筑行業(yè)得到了長足的進步。大跨度建筑以其多方面的優(yōu)勢，逐漸得到了越來越廣泛的應用，例如大型商場、機場車站、世博展館、奧運場館等。鋼結構具有污染少、投資回報快、抗震性能好、施工周期短、安裝容易、自重輕等優(yōu)勢，已經成為當前建筑領域最為主要的建筑結構形式之一。但是，鋼結構的耐火性能十分有限，在火災來臨的時候，其剛度和強度下降很快。同時，大跨度建筑鋼結構面積較大、空間廣闊，容易促使火災的擴大化，因而具有很大的火災風險。

1 大跨度建筑火災特點

如果建筑物發(fā)生火災，通常可以利用防火防煙分區(qū)對火勢進行控制。但是在大跨度建筑當中，防火隔煙措施無法有效的利用，因此火勢很容易蔓延。在普通建筑中，對煙氣濃度或溫度可以利用火災探測器進行探測。但是大跨度建筑由于空間廣闊，在空氣稀釋作用下，煙氣濃度或火災溫度受到降低，無法及時啟動火災探測器。同時，在普通建筑中，在棚頂安裝灑水噴頭能夠有效的控制火勢。但是，在大跨度建筑當中，由于受到與火災探測器相同的條件限制，這種灑水噴頭也無法發(fā)揮出良好的效果。

在實際應用中，大跨度建筑通常都是人員較為密集的場所。一旦火災來臨，無法在較短的時間內對人員進行有效的疏散，容易造成人員被困火場的危險局面，給消防工作帶來了極大的麻煩。由于大跨度建筑的鋼結構就是建筑物的骨骼，一旦發(fā)生火災，在大火和高溫的影響下，鋼結構將會變得十分脆弱，承載力將會嚴重下降，這樣，將很有可能導致建筑物頂棚坍塌，或者是主體結構倒塌，將會對火場中被困的人員和財產造成極大的危害[1]。相比于普通的建筑物火災，大跨度建筑發(fā)生火災最大的特點在于，建筑物內部的空間過大，因此在大跨度建筑中，通常不會出現普通建筑火災中設備可燃物同時燃燒的情況。火災會在一定的區(qū)域內相對集中，空氣溫度的上升也不會像普通建筑火災那樣迅速。

2 火災中鋼結構穩(wěn)定性承載力

2.1 有限元的基本原理

有限元法在連續(xù)體力學領域當中，是一種十分有效的數值分析方法，最初用于分析飛機結構。隨著科技的不斷發(fā)展和應用，在工程建筑領域當中，有限元法逐漸替代了傳統的模型試驗法，同時也取代了很多模型試驗工作的內容。在工程結構當中，需要對幾何與材料的雙重非線性進行考慮。其中，幾何非線性問題通常用于鋼結構的大撓度、大位移，而材料非線性通常是研究非線性彈性和非線性彈塑性等問題。在實際應用當中，還需要對結構非線性平衡方程進行計算，主要采用的則是增量迭代計算法。

2.2 火災中鋼結構非線性分析

在火災影響下，鋼結構可能會發(fā)生局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)兩種失穩(wěn)情況。局部失穩(wěn)主要是局部的結構剛度消失或軟化，使得位移與荷載之間的關系會從平衡位置偏離，局部出現較大的幾何變位。整體失穩(wěn)是整體結構出現軟化屈曲和變形，產生較大的位移，同時偏離平衡位置。對于鋼結構的非線性方面，主要包括幾何非線性和材料非線性兩個方面[2]。相比于跨度來說，鋼結構的厚度很小，因此常溫下鋼結構幾何非線性十分重要。在火災的作用下，鋼結構的雙重非線性將會得到十分明顯的體現，因此在進行非線性分析的時候，應當對幾何非線性和材料非線性進行綜合考慮。

2.3 高溫下鋼結構的性能

在火災高溫的影響下，鋼結構的性能將會產生十分明顯的變化。其中，與性能化抗火設計相關的性能主要是物理性能和力學性能。其中物理性能主要包括密度、比熱、熱傳導系數、熱膨脹系數等，通過這些因素對結構內的溫度進行計算。而力學性能主要包括應力應變本構關系、彈性模量、屈服強度等，通過這些因素，對構件的抗火性能、高溫下結構的形變和內力進行計算。其中高溫下鋼結構的屈服強度和溫度的關系如圖1所示，彈性模量與溫度的關系如圖2所示。

3 火災中鋼結構臨界溫度和耐火極限

在火災當中，當鋼構件達到抗火承載能力的極限狀態(tài)時，其所承受的最大溫度，就是鋼構件的臨界溫度。而在鋼結構達到抗火承載能力的極限狀態(tài)時，所有構件的最大溫度就是鋼結構的臨界溫度[3]。鋼構件的臨界溫度和鋼結構的臨界溫度，統稱為鋼的臨界溫度。在火災的破壞作用下，鋼構件和鋼結構容易受到壓力而發(fā)生屈曲或拉斷，進而導致鋼結構主體倒塌。對火災當中鋼結構的臨界溫度和耐火極限進行分析，通過對鋼結構構件的破壞路徑進行跟蹤，對鋼構件的局部失效、傳播擴散、整體結構破壞等過程進行分析，進而得出相應的結論。

在有限軟件對火災的模擬過程當中，主要包括常溫加載和恒載升溫兩個階段[4]。常溫加載是施加節(jié)點靜力荷載在結構中，對常溫下實際結構荷載進行分析，從而取得構件的形變和內力。恒載升溫是施加節(jié)點溫度荷載在結構上，對火災中的升溫過程進行模擬，在不斷升溫的過程中，對構件和結構的破壞情況進行觀察和分析。

通常來說，在大跨度建筑當中，鋼結構的主要功能就是對外部荷載進行受力。在火災當中，鋼結構構件內部的溫度會不斷上升，鋼結構的屈服強度和彈性模量將會降低，從而影響鋼結構的承載能力。鋼結構的承載能力不斷下降，一旦其下降到與火災中外荷載產生的組合效應相同的時候，鋼結構就達到了火災承載力的極限狀態(tài)[5]。在恒載升溫測試中，如果鋼構件等效塑性應變大于0.2%，應判定其失效，采用單元生死技術將其殺死，之后繼續(xù)測試分析，直到整體結構破壞失穩(wěn)為止，就能夠判斷出大跨度建筑鋼結構的臨界溫度和耐火極限。

4 結語

大跨度鋼結構建筑是當前建筑領域當中十分常用的建筑形式之一，具有很多方面的優(yōu)勢。但是，其劣勢也十分明顯，尤其是其抗火性能更是十分有限。而這種建筑通常都是人員和財產較為密集的場所，因此一旦發(fā)生火災，火勢很難得到控制，將會很容易造成重大的人員傷亡和財產損失。對此，應當采用各種技術手段，對大跨度建筑鋼結構防火性能相關參數進行計算，從而正確的進行性能化抗火設計，保障大跨度鋼結構建筑的防火安全。

[1] 郭 勝.大跨度建筑鋼結構性能化抗火設計方法[D].上海：上海交通大學,2012.

[2] 史健勇,孫 旋,劉文利,等.基于整體的大空間鋼結構性能化防火設計方法研究[J].土木工程學報,2011,10(5):69-78.

[3] 李國強,李兆治.鋼結構性能化抗火設計的初步設想[J].消防科學與技術,2012,10(1):46-48.

[4] 朱 杭.高層建筑鋼結構性能化防火設計方法與應用[D].上海：上海交通大學,2011.

[5] 王燁華,沈祖炎,李元齊.大跨度空間結構抗火研究進展[J].空間結構,2012,10(2):3-12.

Research on fire resistant design method of long-span steel structure performance

Zhu Sijia

(CivilEngineeringCollege,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

This paper introduced the fire characteristic of large-span buildings, combining with the characteristics of large-span steel structure itself, analyzed the carrying critical temperature and fire resisting limit of steel structure stability in fire, put forward that we should take a variety of technical means, made science performance fire resistance design of large span steel structure buildings, so as to ensure the fire safety of large-span steel structure buildings.

large span building, steel structure, fire resistance design

2015-04-09

朱思佳(1993- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)17-0028-02

TU391

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