鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計方法綜述

1、鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計方法綜述摘要:簡述了鋼結(jié)構(gòu)的特點、耐火設(shè)計需要遵守的原則以及具體方法。參考國內(nèi)外資料,論述了鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計及防火保護(hù)。防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫并發(fā)生形變塌落的措施有多種,關(guān)鍵是要根據(jù)不同情況采取不同方法。鋼結(jié)構(gòu)通常在450650溫度中就會失去承載能力,發(fā)生很大的形變,導(dǎo)致鋼柱、鋼梁彎曲,結(jié)果因過大的形變而不能繼續(xù)使用,一般不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限為15分鐘左右。這一時間的長短還與構(gòu)件吸熱的速度有關(guān)。使鋼結(jié)構(gòu)材料在實際應(yīng)用中克服防火方面的不足,必須進(jìn)行防火處理,其目的就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限范圍。介紹了幾種不同鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施,為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的完整性提供

2、了參考。關(guān)鍵詞:建筑;鋼結(jié)構(gòu);耐火設(shè)計;荷載鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下特點:(1鋼材材質(zhì)均勻,可認(rèn)為為理想的彈性材料,受力狀態(tài)簡單明了;(2鋼材的塑性和韌性好,有利用提高結(jié)構(gòu)的抗震性能;(3鋼結(jié)構(gòu)強度高,自重輕,降低結(jié)構(gòu)的自振周期,減小結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力,降低基礎(chǔ)造價;(4鋼結(jié)構(gòu)制作周期短、施工速度快等。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點很多,但卻有一個致命的缺陷:耐火性能差。結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后在很短的時間內(nèi)就能把建筑物燒毀。文中針對鋼材的抗火性能,參考了國內(nèi)外的資料,總結(jié)出了鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計方法及保護(hù)方法,并給出一些建議,為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁、柱、屋架是建筑的骨架,它的安全性直接關(guān)系到整幢建筑

3、的安全,它們大都采用鋼材,鋼材雖然是不燃材料,但其耐火性能很差,隨著溫度的變化,其力學(xué)指標(biāo)會發(fā)生很大的改變,承載力和平衡穩(wěn)定性會隨溫度升高而大幅度下降。鋼結(jié)構(gòu)在溫度達(dá)到350、500、600時,其強度分別下降1 /3、1/2、2/3,在高溫條件下其內(nèi)部應(yīng)力也會發(fā)生改變,使鋼結(jié)構(gòu)承重體系出現(xiàn)問題,按理論計算,在全負(fù)荷下,鋼結(jié)構(gòu)失去平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500,一般火場溫度都在800-1000左右,在這樣的高溫條件下,無任何保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)很快就會出現(xiàn)塑性變形,大約15分鐘內(nèi)就會倒塌。要使鋼結(jié)構(gòu)材料在實際應(yīng)用中克服防火方面的不足,必須進(jìn)行防火處理,其目的就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計規(guī)范規(guī)定的極限范

4、圍。對于鋼結(jié)構(gòu),無論是構(gòu)件層次還是整體結(jié)構(gòu)層次的抗火設(shè)計,均應(yīng)滿足以下要求:1。在規(guī)定得結(jié)構(gòu)耐火極限時間內(nèi),結(jié)構(gòu)的承載力應(yīng)不小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng)。2。在各種荷載效應(yīng)組合下,結(jié)構(gòu)的耐火時間應(yīng)不小于規(guī)定得結(jié)構(gòu)耐火極限。3?；馂?zāi)下,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布一定時,若記結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時的內(nèi)部某特征點的溫度為臨界溫度,則臨界溫度應(yīng)不小于在耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)在該特征點處的最高溫度。(1上述計算方法對于單根構(gòu)件計算更為適合,對于鋼結(jié)構(gòu)性能化防火設(shè)計方法,結(jié)構(gòu)火災(zāi)作用下的整體力學(xué)性能分析是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計未來的發(fā)展方向。結(jié)構(gòu)整體力學(xué)評估一般分析程序如下:(1分析建筑功能及消防措施,設(shè)計火災(zāi)場景。(2確定鋼

5、結(jié)構(gòu)的極限溫度。(3通過流體動力學(xué)軟件計算火災(zāi)后的煙氣及溫度的分布,計算由于火災(zāi)導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)的溫度。(4建立鋼結(jié)構(gòu)空間的三維幾何模型,計算熱效應(yīng)引起的鋼材強度的降低。采用有限元或者結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件計算,荷載可采用火災(zāi)狀況中的“火災(zāi)荷載”。(5根據(jù)結(jié)構(gòu)安全分析計算結(jié)果,確定鋼結(jié)構(gòu)的防火方案。(21鋼結(jié)構(gòu)抗火的設(shè)計方法鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的實質(zhì)是:選定保護(hù)材料及所需厚度,從而使結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫升不超過其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性,滿足承載能力的規(guī)定。在實際建筑設(shè)計中設(shè)計人員在遇到鋼結(jié)構(gòu)建筑中對所設(shè)計的建筑都做出特別的要求,比如涂刷防銹涂料,防火涂料屬于油漆類。(3基于試驗的構(gòu)件抗火設(shè)計是一種簡單、直觀的方

6、法。即規(guī)范要求某一類型建筑物具有一定的耐火時間,然后對結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件進(jìn)行正常設(shè)計荷載下的標(biāo)準(zhǔn)試驗,測定其抗火時間。設(shè)計目標(biāo)為:結(jié)構(gòu)(構(gòu)件的抗火時間不小于規(guī)范規(guī)定的耐火時間。我國現(xiàn)行建筑設(shè)計防火規(guī)范(GBJ1687中關(guān)于鋼梁和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。該試驗方法存在很多缺陷。首先,耐火時間、耐火等級不易確定。目前建筑物趨于功能復(fù)雜,體量大型化。同一建筑物的各個組成部分功能相差非常大。其次,構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中受力很難模擬,而受力的大小對構(gòu)件耐火時間的影響很大。最后,構(gòu)件受火在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力,而這一影響在構(gòu)件試驗中也難以準(zhǔn)確反映?？梢娫缙诘目够鹪O(shè)計方法有時失之經(jīng)濟(jì),有時又失之安全。鑒于試驗的上

7、述缺陷,結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法已開始從基于試驗的傳統(tǒng)方法,轉(zhuǎn)為基于計算的現(xiàn)代方法,特別是英國、瑞典、美國、日本等從20世紀(jì)70年代就大量開展了考慮上述諸因素的結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計方法的研究。我們在設(shè)計時,要根據(jù)不同建筑對構(gòu)件耐火極限的要求,通過科學(xué)比較,選出最恰當(dāng)?shù)姆阑鸨Ｗo(hù)方法,達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全要求。(4基于計算的現(xiàn)代方法即用計算的方法代替標(biāo)準(zhǔn)試驗的方法,可以免除傳統(tǒng)方法中所存在的問題,是鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計發(fā)展的方向。目前計算方法有幾種:直接按耐火等級選擇構(gòu)件的耐火極限t,求出構(gòu)件臨界溫度后Ts,用t、Ts為控制條件求保護(hù)層厚度的Ts-t耐火設(shè)計方法;用構(gòu)件的臨界溫度Ts和當(dāng)量升溫時間Te來確定防火保護(hù)層厚

8、度的Ts-Te耐火設(shè)計方法。(5我國的第一部鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上海市鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程(報批稿中采納的設(shè)計方法,其計算過程如下:(1采用確定的防火措施,設(shè)定一定的防火被覆厚度。(2計算構(gòu)件在確定的防火措施和耐火極限下的內(nèi)部溫度。(3采用確定高溫下鋼的材料參數(shù),計算結(jié)構(gòu)中的該構(gòu)件在外荷載和溫度作用下的內(nèi)力。(4進(jìn)行荷載組合:S= GCGGk + QiCQiQik+W C W Wk+fCf(T。其中,S為荷載組合效應(yīng);Gk為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Qik為樓面或屋面活載(不考慮屋面雪載標(biāo)準(zhǔn)值;Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;T為構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的溫度變化(考慮溫度效應(yīng);G為永久荷載分項系數(shù),取1、0;Qi為樓面或屋面活荷載

9、分項系數(shù),取0.7;W為風(fēng)載分項系數(shù),取0或0、3;f為溫度效應(yīng)的分項系數(shù),取1、0;CG,CQi ,C W,Cf為永久荷載,樓面或屋面活載,風(fēng)載,溫度變化的效應(yīng)系數(shù)。(5根據(jù)構(gòu)件和受載的類型,進(jìn)行構(gòu)件耐火承載力極限狀態(tài)驗算。驗算要求為:SR式中R為按確定溫度條件下的構(gòu)件的極限承載力。(6當(dāng)設(shè)定的防火被覆厚度不合適時(過大或過小,可調(diào)整防火被覆厚度,重復(fù)上述(1(5步驟。基于計算的防火設(shè)計方法,優(yōu)點是:考慮了多個影響因素,從構(gòu)件的實際工作條件出發(fā),進(jìn)行耐火設(shè)計,從而與實際情況更接近;用保護(hù)材料的熱物理參數(shù)測定法取代了構(gòu)件的耐火試驗,使試驗工作簡化并大大降低了費用。缺陷是:目前計算方法尚未統(tǒng)一;

10、計算較為復(fù)雜,各計算方法之間計算結(jié)果差異較大,沒有考慮基于整體結(jié)構(gòu)的計算。2鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)除了進(jìn)行基本的抗火設(shè)計我們必須考慮可行的防火保護(hù),將兩者緊密的結(jié)合起來,鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料,阻隔火焰和熱量,推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率,延緩鋼結(jié)構(gòu)表面到達(dá)臨界溫度的時間。主要方法有以下幾種:由于鋼結(jié)構(gòu)耐火能差,在火災(zāi)高溫作用下很快失效倒塌,耐火極限僅15分鐘,若采取措施,對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),使其在火災(zāi)時溫度升高不超過臨界溫度,鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中就能保持穩(wěn)定性,對鋼結(jié)構(gòu)采取的保護(hù)措施,從原理上來講,主要可劃分為兩種:截流法和疏導(dǎo)法。(62.1截流法截流法的原理是截斷或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的

11、熱流量向構(gòu)件的傳輸,從而使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫升不超過其臨界溫度。其作法是構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料,火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料,再由保護(hù)材料使給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小,而熱容又較大,所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸,從而起到保護(hù)作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。噴涂法是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面,形成保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機(jī)防火涂料和無機(jī)防火涂料兩類,按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型兩類,薄涂型鋼結(jié)構(gòu)涂料涂層厚度一般為27m m,有一定裝飾效果,高溫時涂層膨脹增厚,具有耐火隔熱作用,耐火極限可達(dá)0。51。5小時,這種涂料又

12、稱綱結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度一般為820mm,粒狀表面,密度較小,導(dǎo)熱系數(shù)低,耐火極限可達(dá)0。5 3。0小時,這種涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理有三個:一是涂層對鋼基材起屏蔽作用,使鋼結(jié)構(gòu)不至于直接暴露在火焰高溫中。二是涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出的水蒸汽或其他不燃?xì)怏w,起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。三是涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成碳化泡沫層,阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞,推遲了鋼基材強度的降低,從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要品種有:LB、SG1、SB2、SS1鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要品種有

13、:LG鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料、STIA、JG276、ST86、SB1、SG2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等。在噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時,噴涂的厚度必須達(dá)到設(shè)計值,節(jié)點部位宜適當(dāng)加厚,當(dāng)遇有下列情況之一時,涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼結(jié)構(gòu)相連的鋼絲網(wǎng),以確保涂層牢固。(1承受沖去振動的梁(2設(shè)計層厚度大于40mm寸(3粘貼強度小于0。05MPa的涂料(4腹板高度大于1。5m的梁噴涂法適用范圍最為廣泛,可用于任何一種鋼構(gòu)件的耐火保護(hù)。包封法就是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護(hù)層,將構(gòu)件包封起來,其具體做法有:(1用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護(hù)層。所使用的材料有混凝土、輕質(zhì)混凝土及加氣混凝土等。這些材料既有不燃性,又有較大的熱容量,用作耐火保護(hù)層能使

14、構(gòu)件的升溫減緩。由于混凝土的表層在火災(zāi)高溫下易于剝落,可在鋼材表面加敷鋼絲網(wǎng),進(jìn)一步提高其耐火的性能。(2用砂漿或灰膠泥作耐火保護(hù)層。所使用的材料一般有砂漿、輕質(zhì)巖漿、珍珠巖砂漿或灰膠泥、蛭石砂漿或石灰膠泥等。上術(shù)材料均有良好的耐火性能,其施工方法常為金屬網(wǎng)上涂抹上述材料。(3用礦物纖維。其材料有石棉、巖棉及礦渣棉等。具體施工方法是將礦物纖維與水泥混合,再用特殊噴槍與水的噴霧同時向底子噴涂,構(gòu)成海綿狀的覆蓋層,然后抹平或任其呈凹凸?fàn)睢Ｉ鲜龇绞娇芍苯訃娫阡摌?gòu)件上,也可以向其上的金屬網(wǎng)噴涂,且以后者效果較好。(4用輕質(zhì)預(yù)制板作耐火保護(hù)層。所用材料有輕質(zhì)混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸鈣成型板及石棉成型板等等,其做法