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1、对钢结构抗火性能的认识火灾会给人类的生命和财产造成巨大的损失，火灾的类型有建 筑火灾、工业生产设备火灾、森林火灾、交通工具火灾等，其中损 害最大发生次数最多的就是建筑火灾，约占火灾的 80% 。建筑火灾 发生时，除了会烧毁设备并对人的生命有威胁外，而且还会造成结 构的破坏。随着我国经济水平的迅速提高，城市规模飞速发展，城市中的 建筑物也快速向高层、超高层、多功能化和大规模化发展，并且钢 结构建筑在近些年越来越受到企业及工厂的喜爱。虽然钢材是非燃 烧材料，但是钢材不耐火，当火灾发生时，如果温度升高到4OOoC, 那么钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，如果温度继续升高 达到 6000C 时，钢
2、材的强度和刚度基本会全部丧失。因此，如果建 筑采用无防火保护措施的钢结构，那么一旦发生火灾，结构就会短 时间内遭到破坏，从而造成难以估量的损失。所以为了尽量降低这 种损失，近几年各专家学者都在对结构的抗火性能进行研究，并已 取得了很好的成果，但是，也还存在许多问题亟待解决。需要注意的是“抗”主要为“抵抗”的意思。结构的功能即为 抵抗各种环境作用，如抵抗重力、抵抗风荷载（即抗风）等。火作 为一种环境作用，结构同样要抵抗。结构抗火一般通过对结构构件 采取防火措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实 现。结构抗火设计意义十分重大，主要是能减轻结构在火灾中的破 坏，避免结构在火灾中局部倒塌造
3、成灭火及人员疏散困难；避免结 构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；减少火灾后结构的修复费用， 缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。而进行建筑防火 设计的目的则是：减小火灾发生的概率，减少火灾直接经济损失， 避免或减少人员伤亡。其实对钢结构抗火性能的研究最早是以简单的单个构件为研究 对象开始研究的，研究方法包括试验研究和理论研究两种。构件的 抗火性能研究主要针对钢梁、钢柱、节点、楼板进行，对高温下钢 梁、钢柱的结构受力、变形性能的分析主要基于常温下的钢构件受 力、变形性能分析方法，采用高温下的结构材料特性进行分析。国外对于火灾环境下钢结构的性能及结构响应的数值模拟起步 较早，我国是自 20
4、世纪 90 年代才开始进行钢结构抗火研究的，虽 然钢结构抗火方面研究的较晚，但是也有了很大进展，如火灾高温 下结构钢的材料特性和钢结构的抗火性能试验研究。比较有代表性 的是：同济大学李国强等在试验中模拟钢梁在结构中的约束条件， 利用变形协调条件求出由约束产生的温度内力；赵金城指出采用与 常温下相同形式的整体稳定公式计算高温压弯构件的缺点，并从高 温下钢材的本构模型出发，忽略温度内力的影响，利用平衡条件建 立了构件极限稳定分析的计算式。结构抗火设计应满足如下要求：结构抗火能力2结构抗火需求。按照这一要求，结构抗火设计方法可分为：（1）基于试验的结构抗火设计方法。结构抗火能力由标准结构构 件的标准
5、升温试验确定，结构抗火需求根据建筑的重要性及火灾 的危险性，考虑构件的重要性，按构件以耐火时间的形式在规范 中给出；（2）基于计算的结构抗火设计方法。对传统方法中结构抗火能力 的确定进行改进，考虑构件的受力大小与受力形式、构建的截面 尺寸、构建的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论 和结构理论通过分析确定构件的抗火能力。 20 世纪 80 年代以前， 国外均采用传统方法进行结构抗火设计，20 世纪 80 年代到 90 年代英国和欧洲分别采用传统改进方法进行结构抗火设计。我国 在现行的建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范 中仍采用传统防火方法进行结构抗火设计，在 2000 年颁布的
6、上 海市标准建筑钢结构防火技术规程中，首次采用了传统改进 法进行钢结构抗火设计；（3）性能化结构抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据 具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确 定结构抗火需求，另外考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构 抗火能力的影响。由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大 程度的模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设 计方法，关于结构抗火安全的性能化设计方法，这在国内是由同 济大学较早倡导的。总的来说，目前的抗火设计方法还是基于构件层次的，构件的 耐火极限要求也是基于建筑防火设计规范的要求确定的，而一个结 构构件的破坏并不能代表整个结构的破坏
7、，按照建筑防火设计规范 确定的构件耐火极限不能完全反映建筑的火灾特性。空间特性和结 构特性的影响也不能满足建筑结构可靠性和最优成本的要求，对于 大跨度建筑物尤其如此，因此有必要基于建筑物的整体安全目标确 定结构的抗火设计要求，对结构进行基于性能目标要求的抗火设计。结构的主要功能是作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的 破坏，并不一定意味着整体结构的破坏只会引起结构内力重新分布， 结构仍具有一定的承载力，而目前的研究工作对火灾下整体结构的 结构反应、承载能力和破坏特性还缺乏深入且系统的研究。对于钢 结构的抗火性能理论研究，大部分工作还集中在用数值方法模拟火 灾下结构的反应，其实质问题是结构非线性
8、反应分析问题，分析中 涉及材料的特性随火灾温度的变化、热膨胀的效应。构件截面温度 不均匀分布、材料非线性和几何非线性等问题。目前的文献主要是 利用有限元方法分析平面框架和框架梁柱连接处在火灾环境下的反 映过程，计算中以切向刚度阵为基础，考虑了非线性以及升温引起 的材料性能降低和热膨胀在截面上的不均匀分布。国内对火灾环境 下钢结构的数值模拟方面具有代表性的研究成果主要是：李国强等 人基于试验的基础上提出了广义 Clough 模型，并考虑了材料非线性 几何非线性以及梁截面上温度不均匀分布，采用增量分析方法研究 了高温钢结构的整体响应。而结构抗火研究的主要发展方向是对整个建筑结构在火灾中的 反应进行
9、分析，及对结构在火灾高温作用下进行整体的三维分析， 并考虑构建的半刚性、刚性连接。混凝土楼板的协同作用的因素的 影响。但由于结构抗火分析是一个温度剧变的过程，包含有温度作 用、物理非线性和几何非线性等因素耦合，其计算量非常巨大，同 时对分析结果数据的筛选、整理和分析本身也是一项艰巨的任务， 因此如何对整体结构的三维抗火性能进行数值模拟还是值得研究的 问题，对于整体结构在火灾下破坏准则及整体结构倒塌过程和机理 分析研究也较少。此外火灾作用下结构连接节点的工作机理研究、 火灾下大跨度结构非线性反应及倒塌破坏机制研究、火灾下多高层 结构非线性反应及倒塌破坏机理研究和火灾下建筑结构楼盖薄膜效 应及坍塌破坏机制等问题还需进一步深入研究。
