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1、建筑钢结构耐火设计方法综述 朱浩 赵娜 宿迁学院建筑工程学院 摘 要： 钢结构是我国建筑发展的主要方向之一, 常温下钢结构性能良好, 但是在火灾环境下其强度会急剧降低, 对此必须加强建筑钢结构耐火设计, 本文分析了建筑钢结构火灾危害性, 结合案例重点探讨了基于性能的耐火设计方法, 以期实现我国钢结构建筑的稳定、安全发展。关键词： 建筑; 钢结构; 火灾危害性; 耐火设计; 作者简介：朱浩 (1985-) , 男, 讲师, 硕士研究生, 研究方向为钢结构理论及应用。收稿日期：2017-9-26Received： 2017-9-261 引言近年来, 钢结构在一些大型体育场馆、商业用房、工业厂房、住
2、宅用房应用越加广泛, 但是由于钢结构内部晶体组织对温度十分敏感, 因此高温极易导致钢结构性能发生变化, 强度降低, 由此必须要重视耐火设计问题。2 建筑钢结构火灾危害性根据有关实验表明:在常温下钢结构的性能非常好, 甚至在 200以下其力学性能变化不大, 但当温度达 430540时, 钢结构强度会急剧下降;当温度达到450650时, 钢材强度几乎为零而失去承载能力。根据标准时间火灾升温曲线表明, 火灾发生后, 一般在 1530min 即可达到 650700。由此可见, 未进行耐火设计的钢构件, 一旦发生火灾, 很可能在 30min 内就会发生垮塌。近年来我国发生多次类似火灾, 给国家和人民财产
3、造成重大损失, 如:2012 年 2 月, 一家大型家具厂因电路发生火灾, 建筑面积约 1.5 万 m 两层钢结构厂房在半小时内垮塌, 直接经济损失 3000 万元以上, 所幸火灾发生在凌晨 3 点, 没有人员伤亡。3 建筑钢结构耐火设计方法3.1 基于计算的耐火设计方法此设计方法是依据高温下构件承载力极限状态判断构件耐火极限, 同时考虑温度内力影响, 具体步骤如下 (参考建筑钢结构防火技术规程 (DG/TJ08-008-2017) ) :(1) 确定防火措施、防火被覆厚度。 (2) 基于钢构件在第一步中所设定的条件, 开展内部温度计算。 (3) 确定钢材料性能参数, 计算在温度和外载荷同时作
4、用下构件中的内力, 得出高温下钢构件材料的极限强度、屈服极限、极限应变以及弹性模量等力学性能指标随温度的变化规律曲线。 (4) 对构件的抗火承载极限状态进行验算。 (5) 重复以上步骤, 确保钢结构的抗火承载能力满足要求。3.2 基于性能的耐火设计方法现阶段, 基于性能的耐火设计方法主要用于大空间建筑项目, 根据相关实践经验总结, 此方法可分为限制构件温度评价法、结构整体安全评价法。(1) 限制构件温度评价法此种方法主要适用于以下情况:单根构件、与火源很远的结构 (仅受火灾对流传热影响) , 具体步骤如下: (1) 确定构件限制温度:参考指标包括:a.钢结构温度325, 来源于 2001 年版
5、耐火性能验证法的解说以及计算实例及其解说;b.钢结构温度200, 此参数更为保守, 此温度下防火涂层也未膨胀。 (2) 设计火灾场景:在综合分析建筑空间大小、平面布局、使用功能、消防设施以及火灾荷载种类的基础上, 设计火灾规模、持续时间、发生位置。 (3) 计算钢结构温度:钢构件不受火焰辐射直接影响, 可只考虑高温烟气, 否则需考虑火焰辐射问题。 (4) 确定防火保护方案:按钢结构温度计算结果, 确定钢结构是否需开展防火保护, 或是否纳入防火保护范围。(2) 结构整体安全评价法目前, 基于构件的建筑钢结构耐火设计均较为成熟, 但是基于整体的设计还处于发展阶段, 随着计算机技术发展, 火灾模拟技
6、术取得了很大进步, 实现整体钢结构力学性能变化的良好分析, 为钢结构整体耐火设计提供重要支撑。结构整体安全评价法具体步骤如下: (1) 在全面分析建筑功能、消防措施的基础上, 设计火灾场景; (2) 确定钢结构临界温度; (3) 通过流体动力学软件计算火灾后烟气、温度分布情况, 计算火灾所致的钢结构的温度; (4) 构建钢结构空间的三维几何模型, 计算热效应引起的钢材强度、弹性模量降低值;采用有限元或结构力学分析软件计算, 荷载可采用火灾状况中的“火灾荷载”; (5) 以结构安全分析计算结果为依据, 确定钢结构防火方案。4 实例分析建筑钢结构耐火设计4.1 工程概况某站房工程是大跨空间结构,
7、主站房空间高大、人流密集, 存在各类商业设施、旅客行李, 火灾荷载密度大, 综合考虑决定采取基于性能的耐火设计方法对站房屋面体系进行分析。主站房建筑屋面最高、最低点分别为 42.795m、32.523m, 楼层面最高 24.81m, 站房屋面面积为 86590m (416.050m208.125m) , 屋盖采用的是“上平下曲”大跨度钢桁架体系, 最大柱距 86.06m54m, 如图 1 所示即为结构形式示意图。图 1 结构形式示意图 下载原图4.2 火灾场景设计本工程项目根据危险性分析, 设计最不利火灾场景, 具体如下: (1) 火源点设于候车大厅内 15.0m 商业夹层上, 模拟商业区域火
8、灾, 此位置在屋盖体系下方, 靠近钢柱, 火灾对屋面结构影响最大。 (2) 根据可燃物数量, 参考相关调查数据, 确定模拟火灾荷载 8MW。 (3) 火灾增长曲线设定, 采用快速 t2 火。 (4) 不考虑自然排烟, 假定大空间喷淋失效。4.3 环境温度场计算本项目采用场模型 (FDS) 、建筑钢结构防火技术规范 (CECS200:2006) 中大空间建筑的空气升温公式、NFPA92B 提供的火羽流模型, 开展环境温度场计算。通过模拟可得结构体系的周边环境温度、热流、辐射数据, 传输至 ANSYS 软件作为结构分析荷载、边界条件, 根据结果显示, 此大空间结构中温度场的非均匀性特征明显, 最高
9、温度峰值 (128) 在 420s 左右出现。图 2 FDS 计算的环境温度-时间曲线 下载原图按规范公式计算结构附近环境温度升温曲线, 由于屋面钢结构体系最低点与商业夹层平台相距约 1314m, 因此选取火源上方 13m、14m 处计算钢结构周边环境温度曲线 (见图 3) , 根据结果显示, 屋面钢结构体系附近最高温升达 129。根据 NFPA92B 提供的火灾模型对火灾场景温度场展开稳态分析, 可得不同高度轴上气流温度, 根据结果显示钢结构体系环境温度偏高。综上三种分析方法, 决定采用规范公式计算钢结构耐火临界温度, 通过 FDS 场模拟分析空间温度场不均匀特征对结构整体内力分布影响情况。
10、4.4 防火保护区域与范围确定经计算分析发现, 火源上方结构环境温度达 275时, 屋面结构体系出现失稳破坏;屋面支撑柱不考虑屋面水平推力的临界温度为 420, 考虑此推力作用的临界温度为 270。基于安全裕度, 确定结构体系临界温度 220, 此值低于日本耐火安全检证法提供的指标 325, 故最终决定采用验算所得临界温度指标, 即 220。图 3 规范公式计算的环境温度-时间曲线 下载原图根据 FDS 模拟与规范公式计算结果显示, 环境最大温升未超过临界温度, NFPA92B 火灾烟气模型计算显示, 在考虑 1.5 倍安全系数的情况下, 火源所在地面上方 13m 处的温度未超过临界温度, 由
11、此屋顶结构体系无需防火保护;与火源所在商业夹层地面相距 10m 以下的区域, 超过临界温度。考虑火焰高度对钢结构辐射影响, 火焰高度计算公式如下:通过计算, 火焰极限高度取值 5.2m, 考虑 1.5 倍安全系数, 最终取值 7.9m。偏安全考虑保护范围, 与商业夹层地面相距不超过 10m (标高 25m) 的钢结构需采取防火保护。水平向按辐射热强度分析, 与火源面相距 4.8m 左右的直线距离处, 钢构件受到热辐射强度超过 10k W/m, 考虑 1.5 倍安全系数, 与商业区域水平距离相距超过 7.2m 的区域钢结构无需设防火保护, 高架层楼板下结构支撑钢梁建议按耐火极限 2.0 予以厚型
12、防火涂料保护。4.5 非均匀温度场下结构体系安全性评估在模拟火灾场景下, 火灾对屋面体系影响较小, 桁架位移未超规范限值;绝大部分杆件内应力变化不大, 结构处在安全范围内;局部火灾下, 火源附近支撑柱柱顶侧向位移较常规荷载下增加近一倍, 柱内应力大幅提高, 建议对支撑钢柱除进行耐火极限 2.0h 的防火保护同时, 在设计时荷载组合考虑火灾温度效应组合工况。5 结语综上, 耐火设计是保证钢结构建筑安全、可靠实用的关键, 本文重点围绕基于性能的结构耐火设计方法展开分析, 通过火灾环境模拟对整体结构进行计算分析, 有利于设计者了解实际结构在真实火灾下的性能, 实现对结构细部调整, 保证整体结构安全、经济。参考文献1赵华亮.上海虹桥综合交通枢纽建筑防火设计J.消防科学与技术, 2010, 29 (8) :658661. 2易和, 张季超, 范吾军.性能化防火设计在广东科学中心的应用J.建筑技术, 2011, 42 (4) :366368. 3余成海.空间钢结构建筑的防火解决方案J.空间结构, 2010, 16 (3) :8690.
