2015年二級消防工程師《綜合能力》考點：建筑結構耐火性能分析

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建筑結構耐火性能分析

本節(jié)介紹了主要的建筑結構形式以及各種建筑結構耐火性能的特點、影響建筑結構耐火性能的主要因素、火災下建筑結構及構件極限狀態(tài)的定義、建筑結構耐火時間計算模型的選取方法及計算步驟、鋼結構和混凝土結構的耐火時間計算方法、整體結構耐火時間計算的方法和步驟等。

一、影響建筑結構耐火性能的因素

（一）結構類型

1.鋼結構

鋼結構是由鋼材制作結構，包括鋼框架結構、鋼網(wǎng)架結構和鋼網(wǎng)殼結構、大跨交叉梁系結構。鋼結構具有施工機械化程度高、抗震性能好等優(yōu)點，但鋼結構的最大缺點是耐火性能較差，需要采取涂覆鋼結構防火涂料等防火措施才能耐受一定規(guī)模的火災。在高大空間等鋼結構建筑中，在進行鋼結構耐火性能分析的基礎上，如果火災下鋼結構周圍的溫度較低，并能保持結構安全時，鋼結構可不必采取防火措施。

2.鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構是在混凝土配置鋼筋形成的結構，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔荷載。當建筑結構耐火重要性較高，火災荷載較大、人員密度較大或建筑結構受力復雜的場合時，鋼筋混凝土結構的耐火能力也可能不滿足要求。這時，需要進行鋼筋混凝土結構及構件的耐火性能評估，確定結構的耐火性能是否滿足要求。

3.鋼-混凝土組合結構

（1）型鋼混凝土結構。型鋼混凝土結構是將型鋼埋入鋼筋混凝土結構形成一種組合結構，截面形式如圖5-4-15所示。適合大跨、重載結構。由于型鋼被混凝土包裹，火災下鋼材的溫度較低，型鋼混凝土結構的耐火性能較好。

圖5-4-15 型鋼混凝土結構

（2） 鋼管混凝土結構。鋼管混凝土結構是由鋼和混凝土兩種材料組成的，它充分發(fā)揮了鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點，具有承載能力高、延性好等優(yōu)點。鋼管混凝土結構中，由于混凝土的存在可降低鋼管的溫度，鋼管的溫度比沒有混凝土時要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結構中的鋼管需要進行防火保護。鋼管混凝土柱截面如圖 5-4-16所示。

圖5-4-16 鋼管混凝土結構

（二）荷載比

荷載比為結構所承擔的荷載與其極限荷載的比值?；馂南拢Y構承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強度降低，構件的承載能力降低。當構件的荷載達到極限荷載，構件就達到了火災下的承載能力，構件就達到了耐火極限狀態(tài)，開始倒塌破壞，這時的耐火時間為耐火極限。荷載比越大，構件的耐火極限越小，荷載比是影響結構及構件耐火性能的主要因素之一。

（三）火災規(guī)模

火災規(guī)模包括火災溫度和火災持續(xù)時間。火災高溫是構件升溫的源泉，它通過對流和輻射兩種傳熱方式將熱量從建筑內(nèi)空氣向構件傳遞。作為構件升溫的驅動者，火災規(guī)模對構件溫度場有明顯的影響。當火災高溫持續(xù)時間較長時，構件的升溫也較高。

（四）結構及構件溫度場

溫度越高，材料性能劣化越嚴重，結構及構件的溫度場是影響其耐火性能的主要因素之一。材料的熱工性能直接影響構件的升溫快慢，從而決定了火災下結構及構件的溫度場分布。

二、結構耐火性能分析的目的及判定標準

結構耐火性能分析的目的就是驗算結構和構件的耐火性能是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。結構的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗算結構和構件的耐火極限是否滿足規(guī)范的要求；第二種即在規(guī)范規(guī)定的耐火極限時的火災溫度場作用下，結構和構件的承載能力是否大于荷載效應組合。這兩種方法是等效的。

（一）耐火極限要求

構件的耐火極限要求應符合《建筑設計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045及其他相關國家標準的要求一致。

（二）構件抗火極限狀態(tài)設計要求

《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（國標報批稿）提出了基于計算的結構及構件抗火驗算方法。火災發(fā)生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災下結構的驗算標準可放寬。根據(jù)《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（國標報批稿），火災下只進行整體結構或構件的承載能力極限狀態(tài)的驗算，不需要正常使用極限狀態(tài)的驗算。構件的承載能力極限狀態(tài)包括以下幾種情況：

①軸心受力構件截面屈服；

②受彎構件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機構；

③構件整體喪失穩(wěn)定；

④構件達到不適于繼續(xù)承載的變形。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

三、計算分析模型

抗火驗算時建筑結構耐火性能計算（一般也可稱為抗火驗算）一般有三種方法：第一種采取整體結構的計算模型；第二種采取子結構的計算模型；第三種采取單一構件計算模型。《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（CECS200：2006）和廣東省地方標準《建筑混凝土結構耐火設計技術規(guī)程》（DBJ/T 15-81-2015）規(guī)定，對于高度大于100m的高層建筑結構宜采用整體計算模型進行結構的抗火計算，單層和多層建筑結構可只進行構件的抗火驗算。

實際建筑結構中，構件總是和其他構件相互作用，獨立構件是不存在的。因此，研究構件的耐火性能需要考慮構件的邊界條件。歐洲規(guī)范規(guī)定，進行構件耐火性能分析時，構件的邊界條件可取受火前的邊界條件，并在受火過程中保持不變。

整體結構耐火性能評估模型是一種高度非線性分析，計算難度較高，需要專門機構和專業(yè)人員完成。

四、建筑結構耐火性能分析的內(nèi)容和步驟

建筑結構耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結構的安全性分析。建筑火災模型和建筑材料的熱工參數(shù)是進行結構溫度場分析的基礎資料。同樣，高溫下建筑材料的力學性能是建筑結構高溫下安全性分析的基礎資料。同時，進行建筑結構高溫下安全性分析還需要確定火災時的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進行高溫下結構的抗火驗算了。

（一）結構溫度場分析

確定建筑火災溫度場需要火災模型。我國《建筑設計防火規(guī)范》 GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045均提出可采用ISO834標準升溫曲線作為一般建筑室內(nèi)火災的火災模型。《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》（國標報批稿）提出可采用參數(shù)化模型作為一般室內(nèi)火災的火災模型，同時也提出了大空間室內(nèi)火災的火災模型。由于建筑室內(nèi)可燃物數(shù)量和分布、建筑空間大小及通風形式等因素對建筑火災有較大影響，為了更加準確的確定火災溫度場，也可采用火災模擬軟件對建筑火災進行數(shù)值模擬。

確定火災模型之后，即可對建筑結構及構件進行傳熱分析，確定火災作用下建筑結構及構件的溫度。進行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國內(nèi)外對鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能進行了大量的研究。在進行構件溫度場分布的分析時涉及到的材料熱工性能有3項，即導熱系數(shù)、質(zhì)量熱容和質(zhì)量密度，其他的參數(shù)可以由這3項推導出。

1.鋼材

《鋼結構防火技術規(guī)范》（國標報批稿）提供的高溫下鋼材的有關熱工參數(shù)見表5-4-11.

表5-4-11 高溫下鋼材的物理參數(shù)

參數(shù)名稱 符 號 數(shù) 值 單 位

熱傳導系數(shù) 45 W/（m？℃）

比熱容 600 J/（kg？℃）

密 度 7850 kg/m3

2.混凝土

《鋼結構防火技術規(guī)范》（國標報批稿）提供的高溫下普通混凝土的有關熱工參數(shù)可按下述規(guī)定取值。

熱傳導系數(shù)可按式（5-4-49）取值；

20℃ 1200℃ （式5-4-49）

比熱容應按式（5-4-50）取值；

20℃ 1200℃ （式5-4-50）

密度應按式（5-4-51）取值。

（式5-4-51）

式中： ――混凝土的溫度（℃）；

――混凝土的比熱容 [J/（kg？℃）]；

――混凝土的密度（kg/m3）。

（二）材料的高溫性能

1.混凝土

高溫下普通混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量應按下式確定：

（式5-4-52）

（式5-4-53）

式中： ――溫度為 時混凝土的軸心抗壓強度設計值（N/m┫）；

――常溫下混凝土的軸心抗壓強度設計值（N/m┫），應按現(xiàn)行國家標準《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010取值；

――高溫下混凝土的軸心抗壓強度折減系數(shù)，應按表5-4-12取值；其他溫度下的值，可采用線性插值方法確定；

――高溫下混凝土的彈性模量（N/m┫）；

――高溫下混凝土應力為 時的應變，按表5-4-12取值；其他溫度下的值，可采用線性插值方法確定。

表5-4-12 高溫下普通混凝土的軸心抗壓強度折減系數(shù) 及應力為 時的應變

（℃） 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

1.00 1.00 0.95 0.85 0.75 0.60 0.45 0.30 0.15 0.08 0.04 0.01 0

（×10-3） 2.5 4.0 5.5 7.0 10.0 15.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 -

2.鋼材

在高溫下，普通鋼材的彈性模量應按下式計算：

（式5-4-54）

（式5-4-55）

式中， ―溫度（℃）；

―溫度為 時鋼材的初始彈性模量（N/m┫）；

E―常溫下鋼材的彈性模量（N/m┫），按現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017）確定；

―高溫下鋼材的彈性模量折減系數(shù)。

高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù)可取1.4×10-5m/℃。

在高溫下，普通鋼材的屈服強度應按下式計算：

（式5-4-56）

（式5-4-57）

（式5-4-58）