第五節(jié)建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析

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

一、影響建筑結(jié)構(gòu)耐火性能的因素

(一)結(jié)構(gòu)類型

1.鋼結(jié)構(gòu)

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

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土配置鋼筋形成的結(jié)構(gòu)，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔(dān)荷載。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)耐火重要性較高，火災(zāi)荷載較大、人員密度較大或建筑結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的場合時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及構(gòu)件的耐火性能評估，確定結(jié)構(gòu)的耐火性能是否滿足要求。

3.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

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

(2)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?xí)r要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管需要進行防火保護。

(二)荷載比

荷載比為結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載與其極限荷載的比值?；馂?zāi)下，結(jié)構(gòu)承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強度降低，構(gòu)件的承載能力降低。當(dāng)構(gòu)件的荷載達到極限荷載，構(gòu)件就達到了火災(zāi)下的承載能力，構(gòu)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(gòu)件的耐火極限越小，荷載比是影響結(jié)構(gòu)及構(gòu)件耐火性能的主要因素之一。

(三)火災(zāi)規(guī)模

火災(zāi)規(guī)模包括火災(zāi)溫度和火災(zāi)持續(xù)時間。火災(zāi)高溫是構(gòu)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(gòu)件傳遞。作為構(gòu)件升溫的驅(qū)動者，火災(zāi)規(guī)模對構(gòu)件溫度場有明顯的影響。當(dāng)火災(zāi)高溫持續(xù)時間較長時，構(gòu)件的升溫也較高。

(四)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件溫度場

溫度越高，材料性能劣化越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)及構(gòu)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(gòu)件的升溫快慢，從而決定了火災(zāi)下結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的溫度場分布。

二、結(jié)構(gòu)耐火性能分析的目的及判定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)耐火性能分析的目的就是驗算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火性能是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗算結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(zāi)溫度場作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力是否大于荷載效應(yīng)組合。這兩種方法是等效的。

(一)耐火極限要求

構(gòu)件的耐火極限要求應(yīng)符合《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045及其他相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求一致。

(二)構(gòu)件抗火極限狀態(tài)設(shè)計要求

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)提出了基于計算的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗火驗算方法?；馂?zāi)發(fā)生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的驗算標(biāo)準(zhǔn)可放寬。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)，火災(zāi)下只進行整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(gòu)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(gòu)件截面屈服;

②受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機構(gòu);

③構(gòu)件整體喪失穩(wěn)定;

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

三、計算分析模型

抗火驗算時建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的計算模型;第二種采取子結(jié)構(gòu)的計算模型;第三種采取單一構(gòu)件計算模型?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS200:2006)和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-81-2011)規(guī)定，對于高度大于100m的高層建筑結(jié)構(gòu)宜采用整體計算模型進行結(jié)構(gòu)的抗火計算，單層和多層建筑結(jié)構(gòu)可只進行構(gòu)件的抗火驗算。

實際建筑結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件總是和其他構(gòu)件相互作用，獨立構(gòu)件是不存在的。因此，研究構(gòu)件的耐火性能需要考慮構(gòu)件的邊界條件。歐洲規(guī)范規(guī)定，進行構(gòu)件耐火性能分析時，構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)和專業(yè)人員完成。

四、建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析的內(nèi)容和步驟

建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結(jié)構(gòu)的安全性分析。建筑火災(zāi)模型和建筑材料的熱工參數(shù)是進行結(jié)構(gòu)溫度場分析的基礎(chǔ)資料。同樣，高溫下建筑材料的力學(xué)性能是建筑結(jié)構(gòu)高溫下安全性分析的基礎(chǔ)資料。同時，進行建筑結(jié)構(gòu)高溫下安全性分析還需要確定火災(zāi)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(jié)構(gòu)的抗火驗算了。

(一)結(jié)構(gòu)溫度場分析

確定建筑火災(zāi)溫度場需要火災(zāi)模型。我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045均提出可采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作為一般建筑室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型。《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)提出可采用參數(shù)化模型作為一般室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型，同時也提出了大空間室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)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(fēng)形式等因素對建筑火災(zāi)有較大影響，為了更加準(zhǔn)確的確定火災(zāi)溫度場，也可采用火災(zāi)模擬軟件對建筑火災(zāi)進行數(shù)值模擬。

確定火災(zāi)模型之后，即可對建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行傳熱分析，確定火災(zāi)作用下建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)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?zé)峁ば阅堋⒘W(xué)性能進行了大量的研究。在進行構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)出。

1.鋼材

《鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)提供的高溫下鋼材的有關(guān)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)

2.混凝土

《鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)提供的高溫下普通混凝土的有關(guān)熱工參數(shù)可按下述規(guī)定取值。

(二)材料的高溫性能

1.混凝土

2.鋼材

高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù)可取1.4×10-5m/℃。

(三)火災(zāi)極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)規(guī)定，火災(zāi)作用工況是一種偶然荷載工況，可按偶然設(shè)計狀況的作用效應(yīng)組合

(四)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火驗算基本規(guī)定

1.耐火極限要求

構(gòu)件的耐火極限要求與《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50045及其他國家標(biāo)準(zhǔn)的要求一致。

2.構(gòu)件抗火極限狀態(tài)設(shè)計要求

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)提出了基于計算的構(gòu)件抗火計算方法?；馂?zāi)發(fā)生的概率很小，是一種耦合荷載工況。因此，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的驗算標(biāo)準(zhǔn)可放寬。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國標(biāo)報批稿)，火災(zāi)下只進行整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)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(gòu)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(gòu)件截面屈服;

②受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機構(gòu);

③構(gòu)件整體喪失穩(wěn)定;

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

基于承載能力極限狀態(tài)的要求，鋼構(gòu)件抗火設(shè)計應(yīng)滿足下列要求之一：

①在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力Rd不應(yīng)小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng)Sm，

②在各種荷載效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐火時間td不應(yīng)小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐火極限tm，

③結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的臨界溫度Td不應(yīng)低于在耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的最高溫度Tm，

對鋼結(jié)構(gòu)來說，上述三條標(biāo)準(zhǔn)是等效的。由于鋼構(gòu)件溫度分布較為均勻，因此，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算時采用上述第③條的最高溫度標(biāo)準(zhǔn)，混凝土構(gòu)件可采用前面兩條標(biāo)準(zhǔn)。

3.構(gòu)件抗火驗算步驟

采用承載力法進行單層和多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件抗火驗算時，其驗算步驟為：

①設(shè)定防火被覆厚度。

②計算構(gòu)件在要求的耐火極限下的內(nèi)部溫度。

③計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外荷載作用下的內(nèi)力。

④進行荷載效應(yīng)組合。

⑤根據(jù)構(gòu)件和受載的類型，進行構(gòu)件抗火承載力極限狀態(tài)驗算。

⑥當(dāng)設(shè)定的防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，可調(diào)整防火被覆厚度，重復(fù)上述①～⑤步驟。

采用承載力法進行單層和多高層混凝土結(jié)構(gòu)各構(gòu)件抗火驗算時，其驗算步驟為：

①計算構(gòu)件在要求的耐火極限下的內(nèi)部溫度。

②計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件在外荷載作用下的內(nèi)力。

③進行荷載效應(yīng)組合。

④根據(jù)構(gòu)件和受載的類型，進行構(gòu)件抗火承載力極限狀態(tài)驗算。

⑤當(dāng)設(shè)定的截面大小及保護層厚度不合適時(過小或過大)，可調(diào)整截面大小及保護層厚度，重復(fù)上述①～④步驟。

4.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火驗算

這里只介紹基于高溫下承載能力驗算的方法，火災(zāi)下鋼構(gòu)件的驗算還有極限溫度計算方法，讀者可參考其他資料。

5.鋼筋混凝土構(gòu)件抗火驗算

目前，尚沒有國家標(biāo)準(zhǔn)提出鋼筋混凝土構(gòu)件的抗火驗算方法，鋼筋混凝土構(gòu)件的抗火驗算一般依據(jù)通用的非線性有限元方法進行計算。

6.整體結(jié)構(gòu)抗火驗算

(1)整體結(jié)構(gòu)抗火極限狀態(tài)整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)為：

①結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠的塑性鉸形成可變機構(gòu);

②結(jié)構(gòu)整體喪失穩(wěn)定。對于一般的建筑結(jié)構(gòu)，可只驗算構(gòu)件的承載能力，對于重要的建筑結(jié)構(gòu)還要進行整體結(jié)構(gòu)的承載能力驗算。

(2)整體結(jié)構(gòu)抗火驗算原理。上節(jié)給出的規(guī)范抗火設(shè)計方法是基于計算的抗火設(shè)計方法，要求結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)力組合小于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗力?；馂?zāi)高溫作用下，結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化?；诜阑鹪O(shè)計性能化的要求，對于一些復(fù)雜、重要性高的建筑結(jié)構(gòu)，需要考慮高溫下材料本構(gòu)關(guān)系的變化、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布、整體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過程，這就需要對火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)的行為進行準(zhǔn)確確定。對火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布、結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)及耐火極限的確定，需要采用基于性能的結(jié)構(gòu)耐火性能計算方法。整體結(jié)構(gòu)耐火性能計算方法需要采用非線性有限元方法完成。

整體結(jié)構(gòu)耐火性能計算的一般步驟為：

①確定材料熱工性能及高溫下材料的本構(gòu)關(guān)系和熱膨脹系數(shù);

②確定火災(zāi)升溫曲線及火災(zāi)場景;

③建立建筑結(jié)構(gòu)傳熱分析和結(jié)構(gòu)分析有限元模型;

④進行結(jié)構(gòu)傳熱分析;

⑤將按照火災(zāi)極限狀態(tài)的組合荷載施加到結(jié)構(gòu)分析有限元模型，進行結(jié)構(gòu)力學(xué)性能非線性分析;

⑥確定建筑結(jié)構(gòu)整體的火災(zāi)安全性;

⑦按照上節(jié)要求進行構(gòu)件的驗算。

(3)鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)抗火驗算的具體步驟。

對單層和多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)整體抗火驗算時，其驗算步驟為：

①設(shè)定結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件一定的防火被覆厚度;

②確定一定的火災(zāi)場景;

③進行火災(zāi)溫度場分析及結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫度分析;

④荷載作用下，分析結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件是否滿足結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)的要求;

⑤當(dāng)設(shè)定的結(jié)構(gòu)防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，調(diào)整防火被覆厚度，重復(fù)上述①～④步驟。

對單層和多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體抗火驗算時，可采用如下步驟：

①確定一定的火災(zāi)場景;

②進行火災(zāi)溫度場分析及結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部溫度分析;

③荷載作用下，分析結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件是否滿足結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)的要求;

④當(dāng)整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力不滿足要求時，調(diào)整截面大小及其配筋，重復(fù)上述①～③步驟。

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