浅谈钢结构的抗火设计
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摘要：本文从钢结构的耐火极限及其在火灾条件下的破坏机理入手，介绍了钢结构的抗火计算和防火构造措施设计，并结合工程实例，分析了轻钢结构厂房梁构件的抗火设计方法，为钢结构设计的完整性提供了参考，以推广钢结构的应用。
关键词：钢结构；抗火；设计
钢结构建筑被誉为2l世纪的“绿色建筑”，是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构。钢材具有强度高、重量轻、施工速度快、抗震性能好、环境污染少等优点，因而在超高、超大工业与民用建筑中使用比较广泛，特别是为了节约土地资源，我国规定从2003年7月起，禁止在全国各大中型城市使用实心粘土砖，使得钢结构建筑日益增加，如北京国家大剧院、水立方、国贸三期、东方明珠等，即是典型的钢结构建筑。但与混凝土结构相比，钢结构也有其自身的缺陷，如耐火性差、耐腐蚀性差等，其中耐火问题显得尤为突出。因此，如何采取科学的方法进行钢结构抗火保护设计，使钢结构的抗火设计做到更加经济、安全、有效，成为设计人员必须考虑的一个重要问题。
1钢结构耐火极限及破坏机理
钢结构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止，这段抵抗火作用的时间。耐火极限是划分建筑耐火等级的基础数据，也是进行建筑物防火构造设计和火灾后制定建筑物修复方案的科学依据。构件的耐火极限与其采用的材料性质、构造尺寸、保护层厚度以及构件的构法、支撑情况和受火方式等有密切的关系。一般进行建筑防火设计时，先根据建筑物的使用功能、总楼层数等确定建筑物的耐火等级，再根据耐火等级确定各部位构件的耐火极限。火灾产生的热量是以辐射和对流的形式传给结构构件的。当钢材表面受到火烧时，表面温度高，内部温度低。根据傅里叶定律，热流强度q与温度梯度成正比，即q=-(/dx，也就是说，当构件表面受热时，由于导热系数较大，热量可很快传到内部，因而温度梯度dT/dx很小，加之钢构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。因此，可以认为构件内部温度均匀分布，即使构件是非燃烧材料，由于钢材导热性好，局部或表面遭受火灾作用时，将迅速引起整个结构或构件温度急剧升高，构件产生膨胀且强度降低，导致构件降低或完全丧失承载能力。钢结构在高温下还会产生很大的塑性变形，形成局部破坏，最终造成钢结构建筑整体倒塌。
2钢结构抗火设计的要求
对结构抗火设计的基本要求是使结构或结构构件的耐火时间不能低于一定的数值，即在小于该数值的范围内结构不被破坏，使其抗火性能满足建筑对构件耐火极限的要求，具体应满足下列三个条件之一：
2.1 在规定的结构耐火时间内，结构的承载力Rd不应小于各种作用所产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm。
2.2 在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td不应小于规定的结构耐火时间tm，即td≥tm。
2.3 在火灾状况下，当结构内部均匀时，若取结构达到承载极限状态时的内部温度为临界温度Td，则Td 应不小于在规定的耐火时间内结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。
在进行钢结构构件抗火承载力验算时，可按Rd≥Sm要求验算。
3 钢结构抗火计算设计
鉴于建筑火灾发生的频繁性和它对钢结构造成危害的严重性，国际上很早就开始重视钢结构的抗火安全。一般传统的钢结构抗火设计采用耐火试验法，该方法是通过对不同构件(梁、柱)在规定荷载分布和标准升温条件下迸行耐火试验，确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间。由于无法考虑荷载分布与大小、构件端部约束状态的影响，以及难以准确反映构件受力或在结构中产生的温度应力等，此法有很大的缺陷。因此，该方法当前已逐步被现代钢结构抗火设计的计算法所代替。基于计算钢结构抗火设计方法，是以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响。其计算过程如下：
3.1采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
3.2 计算构件在确定防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
3.3 确定高温下钢材料参数，计算结构中该构件在外荷载和温度作用下的内力。
3.4 进行荷载效应组合：
S=+++
其中，S为荷载组合效应；G为永久荷载标准值；Q提为楼面或屋面活荷载标准值(不考虑屋面雪荷载)；为风荷载标准值；△T为构件或结构的温度变化(考虑温度效应)；为永久荷载分项系数，取1.0。为楼面或屋面活荷载分项系数，取0.7；为风载分项系数，取0或0.3; 为温度效应的分项系数，取1.0；，分别为永久荷载、楼面或屋面活载、风载、温度变化的效应系数。
3.5 根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。验算要求：S≤R。其中，R为按温度条件下构件的极限承载力。
3.6 当设定的防火被覆厚度不合适时(过小或过大)，可调整防火被覆厚度，重复上述步骤。
4 钢结构防火构造措施设计
结构构件的防火构造是指常温状态下结构构件的防火处理措施，是在建筑防火设计满足规范要求的情况下，结构设计人员所采取的防火构造措施。主要从两方面来提高结构构件的耐火性能：通过选择建筑材料和构造提高结构本身的耐火能力；通过采取阻燃和隔燃措施提高耐火能力。
4.1 建筑材料的运用和构造要求：选择稳定性好的钢种；截面形状与尺寸适当，截面周长与截面面积之比较大者，截面接受热量多，耐火性差；加强保护受力状态不好的部位；在钢梁、钢屋架下做耐火吊顶，可以使钢梁的升温大为减缓。
4.2 在钢结构表面做耐火保护层：用现浇混凝土做防火保护层；用砂浆或灰胶泥做耐火保护层；用矿物纤维做耐火保护层；用防火板材做耐火保护层。
4.3 根据安全可靠、技术先进、经济合理的原则，对于不同规格和不同耐火极限要求的构件，选用最佳的防火涂料和喷涂不同的涂层厚度。
5工程实例
下面，笔者结合工程实例，通过计算的构件抗火设计方法，对轻钢结构厂房梁构件进行抗火设计探讨与分析。
5.1工程概况
某轻钢结构厂房涂装车间，梁构件采用焊接H型钢，Q345(H1000×220×6×10)，无侧向支撑，L=13.2 m，表面积为2.868 m 2/ m，体积V=10.28×10-3m 3/ m，设平梁底的非燃烧材料吊顶，保证火灾下梁的受热体积F=0.22 m 2/ m，Mmax=659.0KN・m，沿梁强轴方向，作用于梁上翼缘，绕强轴抵抗矩W=3097.485cm3，常温时，=100，梁表面刷防火涂料，其导热率=0.093W/m・℃，建筑所需耐火时间t=1.5h，求所需保护层厚度。
5.2 梁的临界温度
先令==1.0， 由于>0.6，
则=1.07-=0.788
由于==0.6863，
则==0.8709
代入式：=1+，得TS1=210℃
由：
得：=1.150+0.154sin()=1.14
则：
由：=1.07-1.0
得：=0.8244，==0.8325
代入式：=1+
得：Ts2=250℃
经迭代4次后收敛，得TS=259℃
5.3 保护层厚度
由式TS=(-0.2)t+20求B:
B=2.0[(+0.2)2-0.044]=313.25
由式B=求d:
d===6.35mm.
以上仅在轻钢结构梁构件抗火设计应用方面进行了一些探讨与分析，同时也进行了模拟抗火试验验证。试验结果表明，采用此方法效果较为理想。
参考文献：
【1】张震，孙素英.高层建筑钢结构构件抗火设计应用探讨【J】.建筑设计管理，2008，（5）：38-39.
【2】刘 剑.钢结构建筑抗火设计及防火保护探讨【J】.山西建筑，2009，（2）：88-89.
【3】陈绍蕃．钢结构(第二版)【M】．北京：中国建筑工业出版社，1994．
【4】郑廷银．高层钢结构【M】．北京：机械工业出版社，2005．
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