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1、建筑结构的耐火性能和建筑防火与抗火设计建筑结构的耐火性能建筑材料的燃烧性能 建筑材料的燃烧性能，是指材料燃烧或遇火时所发生的一切物理、化学变化。其中着火的难易程度、火焰传播快慢以及燃烧时的发热量，均对火灾的发生和发展具有重要意义。 按照国家标准建筑材料及制品燃烧性能分级GB8624-2006的规定，建筑材料燃烧性能分为四级如下图： 非燃性建筑材料：在空气中受到火烧或高温作用时不起火、不燃烧、不碳化，如花岗岩、大理石、水泥制品、混凝土制品、石膏板、石灰制品、玻璃、陶瓷、钢材、铝合金制品等。难燃性建筑材料：在空气中受到火烧或高温作用时难起火、难于碳化，当火源移走后，燃烧或微燃性立即停止，如纸面石膏
2、板、水泥刨花板，难燃木材等。易燃性建筑材料：在空气中受到火或高温作用时，立即起火，且火焰传播速度很快，如有机玻璃、泡沫塑料等。 可燃性建筑材料：在空气中受到火或高温作用时，立即起火或微燃，并且离开火源后仍能继续燃烧或微燃，如天然木材、木制人造板、竹材、木地板、聚乙烯塑料制品等。建筑材料的种类很多，为了便于研究其高温性能，做如下分类： 有机材料都具有可燃性。由于有机材料在300以前会发生碳化、燃烧、熔融等变化，因此在热稳定性方面一般比无机材料差。 特点：质量轻，隔热性好，耐热应力作用，不易发生裂缝和爆裂等。建筑材料中常用的有机材料有木材、塑料、胶合板、纤维板、木屑板等。 无机材料一般都是非燃性材
3、料。在高温性能方面存在的问题是导热、变形、爆裂、强度降低、阻止松懈等，这些问题往往是由于高温时的热膨胀收缩不一样造成的。 常用材料的燃烧性能1. 无机材料1）钢材 钢材属于不燃性材料。在火灾条件下没有防火保护层面的钢结构往往在十几分钟内发生倒塌破坏。因为在300400时，钢的抗拉强度很快下降，到600左右失去承载能力，所以没有防火保护层的钢结构是不耐火的。 普通低碳钢： 普通低合金钢：200300内强度增加，大于300后逐渐降低。 冷加工钢筋(冷拉、冷拔、冷轧)：此类钢筋经冷加工后强度提高，塑性降低。 高强钢丝：无明显屈服极限的硬钢。 可见冷加工钢筋和高强钢丝耐火性能更差。另外，钢材在温度和应
4、力作用下，随时间推移会发生缓慢塑性变形蠕变。普通低碳钢蠕变温度为300350，合金钢为400450。 为了提高钢结构的耐火性能，常采用隔热材料(钢丝网抹灰、保温砖、隔热混凝土、导热液体)进行包封、散热，或喷涂防火涂料等，以形成防火保护层。2）混凝土 混凝土的骨料决定它的耐火性能。花岗岩骨料混凝土在550破裂，石灰石骨料混凝土可达700。混凝土热容量大，导热系数小，升温慢，是较好的耐火材料。 3）钢筋混凝土 由于钢筋和混凝土之间的粘接力使它们共同受力，粘结力是由混凝土硬化时握固钢筋产生摩擦力，表面粗糙产生的机械咬合力以及胶合力所组成。 对于一面受火的钢筋混凝土，温度升高时由荷载引起的钢筋蠕变加大
5、，350以上更为明显。混凝土的水泥石由微裂缝逐渐扩展，到600以后混凝土的抗拉强度为0，钢筋的粘结强度也几乎丧失殆尽。2.有机材料 建筑材料中常用的有机材料有木材、塑料等，有机材料具有可燃性。1）木材木材的可燃性表现为燃烧和发烟两个特征。 木材的燃烧分为预热干燥、热分解、燃烧三个阶段。 预热干燥。当温度不大于150时，木材内的自由水和吸附水蒸发后，呈完全干燥状态，水分蒸发吸热量大，木材升温慢，材质改变少。 热分解。干燥木材持续升温使木材的化学组分发生分解，分离出低分子化合物如，可燃气体，木炭和焦油，焦油在高温下又分解为可燃气体和木炭。 燃烧。木材的燃烧速度可用火焰表面传播速度表示，也可用单位时
6、间内木材的炭化深度表示，一般木材的燃烧速度为0.40.6mm/min。2）塑料 它是一种高分子的有机化合物，由天然或人工合成树脂加入增塑剂、润滑剂和填充材料及颜料制成的。 塑料受高温后分解，然后燃烧。热塑性塑料(如聚乙烯等)达软化温度后熔化成黏稠状，滴落下来成为二次火源；热固性塑料(如酚醛树脂)不熔融，当温度达到分解点时会生成烃类化合物可燃气体、不燃性气体和碳化物，达到燃点后发生燃烧。塑料也可以添加阻燃剂以提高耐火性能。建筑构件的耐火性能建筑构件的耐火极限 建筑构件的耐火性能，通常是指构件的燃烧性能和抵抗火焰燃烧的时间(即耐火极限)。 建筑构件的燃烧性能分为三类：第一类：非燃烧构件；第二类：难
7、燃烧构件；第三类：燃烧构件。耐火极限判定的条件：1) 非承重构件 失去完整性。当试件在试验中有火焰和气体从孔洞、空隙中出现，并点燃规定的棉垫时，则表明构件失去了完整性。 失去绝热性。试件背火面的平均温升超过试件表面初始温度140或单点最高温升超过初始温度180时，则表明构件失去绝热性。2) 承重构件。承重构件按是否失去承载能力和抗变形能力来判定。影响构件耐火极限的因素及提高耐火极限的措施 1影响构件耐火极限的因素(1) 完整性。根据试验结果，凡易发生爆裂、局部破坏穿洞，构件接缝等都可能影响构件的完整性。(2) 绝热性。影响构件绝热性的因素主要有两个：材料的导温系数和构件厚度。材料导温系数越大，
8、热量越易于传到背火面，所以绝热性差；反之则好。当构件厚度较大时，背火面达到某一温度的时间则长，故其绝热性好。(3) 稳定性。凡影响构件高温承载力的因素都影响构件的稳定性。 2提高耐火极限的措施 建筑构件的耐火极限和燃烧性能，与建筑构件所采用的材料性质、构件尺寸、保护层厚度以及构件的构造做法、支承情况等有着密切的关系。 常用的方法有：(1) 适当增加构件的界面尺寸。建筑构件的界面尺寸越大，其耐火极限越长。此法对提高建筑构件的耐火极限十分有效。(2) 对钢筋混凝土构件增加保护层厚度。 (3) 在构件表面做耐火保护层。 (4) 钢梁、钢屋架下及木结构做耐火吊顶合防火保护层。 (5) 在构件表面涂覆防
9、火涂料。 (6) 进行合理的耐火构造设计。 建筑的耐火等级 在建筑结构体系中，一般楼板直接承受有效荷载，受火影响比较大，因此建筑耐火等级的评判是以楼板为基准，结合火灾的实际情况作出规定。 现浇钢筋混凝土整体楼板耐火极限达1.5h，为一级一级耐火等级，普通钢筋混凝土空心板耐火极限达1h为二级二级耐火等级；三级三级耐火等级的为0.5h。 一般依据建筑构件耐火极限判定建筑的耐火等级。 一级耐火等级建筑采用钢筋混凝土结构或砖混结构。 二级耐火等级建筑其构件耐火极限稍低，允许采用未加防火保护的钢屋架。 三级耐火等级建筑砖墙及钢筋混凝土承重体系，木屋架屋顶。 四级耐火等级建筑采用木屋顶，燃烧体墙柱承重。建
10、筑材料和构件的高温性能1建筑材料的高温性能 1) 混凝土的高温性能 经凝结硬化的混凝土是非均质材料，其结构组成为水泥石、骨料、水分，并有空隙和微裂缝。在高温作用下，混凝土逐渐脱水，水泥石和骨料的变形有差异等原因，导致其物理力学性能如弹性模量、抗拉和抗压强度会发生变化。高温对混凝土弹性模量弹性模量的影响。 室内温度小于50时，混凝土的弹性模量基本没有变化，然后随着温度的上升，混凝土的弹性模量逐渐降低，当达到800时，混凝土的弹性模量将只有常温时的5左右。而火灾温度常常高于800，这时由于混凝土结构弹性模量的急剧下降，可能导致结构丧失整体稳定性并继而引起垮塌。 高温对混凝土强度强度的影响。 在火作
11、用下，混凝土的抗压强度在稳定达300作用时开始下降，但温度升至600时，将降为常温下抗压强度的45，而到1000。则几乎完全丧失。2) 钢材在高温下的力学性能钢材在高温下的弹性模量弹性模量和泊松比泊松比。 钢材的弹性模量E和泊松比 是结构性状变化的敏感参数。钢材的弹性模量随温度升高而降低，具体表现为：在0600范围内，弹性模量随温度升高而逐渐降低；当超过600后，其随温度升高而显著下降。钢结构在高温作用下的特点。 钢材遇火虽不燃烧，也不向火源提供燃料，但是钢材受火作用后会迅速变软，继而造成钢结构垮塌。当温度超过600后，钢材强度迅速降低，挠度增加很快，当受火时间超过1520min后，钢构件就像
12、“煮面条”一样逐渐软化，并随着局部构件的破坏使结构整体失去稳定而破坏，而且钢结构破坏后难以修复。 以“9.11”事件为例，世界贸易中心大厦受飞机撞击后引发的大火，飞机燃油的燃烧使大楼承重主体的钢结构温度迅速上升，火灾进一步削弱了受撞击部位承重构件的强度，使得上部结构很快塌落，并使下部结构在高温和冲击荷载作用下发生连锁倒塌。可见，未作防火保护处理的钢结构是不耐火的。 例子：例子：3）木材的高温性能 木材的明显缺点是容易燃烧，在火灾高温下的性能主要表现为燃烧性能燃烧性能和发烟性能发烟性能。 木材受热温度超过100以后，发生热分解，分解的产物有可燃性气体和不燃性气体。在温度达到260左右，热分解进行
13、的很剧烈，如遇明火，便会被引燃。因此，在防火方面，将260作为木材起火的危险温度。在加热温度达到400460时，即使没有火源，木材也会自行着火。 木材的燃烧可分为有焰燃烧和无焰燃烧两个阶段。有焰燃烧是木材所产生的可燃性气体着火燃烧，形成可见的火焰，因而是火势蔓延的主要原因。无焰燃烧是木材热分解完后形成的木炭的燃烧，它助长火焰燃烧的持久性，会导致火势持久。 2建筑构件的高温性能 国内学者研究发现，荷载位置及大小、构件和结构受火部位、构件表面最高温度、火灾持续时间、混凝土类型、构件截面尺寸与配筋率、构件保护层厚度等因素是影响高温下与高温后钢筋混凝土构件和结构力学性能的主要因素。建筑的防火设计建筑物
14、的平面布局与防火间距1建筑物平面布置基本要求(1)在同一建筑物内，生产中使用或产生甲、乙类火灾危险性物质的车间，应设在单层产房靠外墙处。(2)生产甲、乙类火灾危险性物质车间内不应设办公室、休息室等。(3)生产甲、乙类火灾危险性物质车间不应设置在建筑物的地下室或半地下室内。(4)锅炉房和油浸变压器室，不应设置在聚集人多的地方。(5)防火堤内贮罐设置不宜超过两行。沸溢性与非沸溢性油罐、地下贮罐与地上、半地下贮罐，不应布置在同一防火堤范围内。(6)数个液化石油气贮罐的总容积超过2500立方米时，应分组布置。2. 建筑物防火间距 建筑物的防火间距是指某栋给定建筑物到周围其他建筑物或铁路、公路干线之间的
15、防火安全距离。防火间距反映了建筑物与周围外部环境在防火方面的布局要求。其目的为： (1)当某栋建筑物失火后，其热辐射不会使处于防火间距以外的相邻建筑物燃烧起火，导致“火烧连营”；(2)通过铁路、公路的车辆及人员可能携带的火源不致引燃处于防火间距以外的仓库、可燃材料堆场、储罐等；(3)易燃、易爆物品库、厂库发生爆炸，其冲击波不致使过往车辆、人员及建筑物受灾；(4)发生火灾时，便于消防车低近扑救。确定防火间距、主要考虑建筑物的重要性、火灾危险性大小、耐火等级以及可能引起的火灾损失等。3.高层建筑物的防火间距防火分区与防火分隔物设计 当建筑物占地面积或建筑面积过大时，如发生火灾，火场面积可能蔓延过大
16、。所以，应把整个建筑物用防火分隔物进行分区，使之成为面积较小的若干个防火单元。如果某一分区失火，防火分隔物将阻滞火势不会蔓延到相邻分区，控制了火势发展，减小了成灾面积，即可减少损失，又能便于扑救。 用于划分防火分区的分隔物，在平面上重要依靠防火墙，也可利用防火水幕带或防火卷帘加水幕，在竖向则依靠耐火楼板(主要是钢筋混凝土楼板)。 防火分区的划分，主要考虑消防队的灭火实力、火实危险性类别、建筑物耐火等级、层数及是否装有消防设施等因素。 避难层或避难通道设计 高层建筑中避难层的设置： 避难层：超高层建筑中供发生火灾是人员临时避难使用的楼层。 (1) 设置避难层的数量，自高层建筑底层至第一个避难层或
17、两个避难层之间，不易超过15层。(2) 避难层净面积应能满足避难人员避难要求，宜按5人/计算。(3) 通风通道和其他竖向管井等通过避难层的缝隙，必须严密填塞。 (4) 避难层必须设置消火栓和自动喷水灭火系统。 (5) 应设有专用电话和火灾应急照明，其供电时间不应小于1h，并不小于正常照度的50。防排烟系统设计火烟控制区域的划分原则： 火烟控制区域不应跨越防火分区。 每个火灾控制区域所占建筑面积，地面建筑一般控制在500以内。 通常将每个楼层选作分隔开的火烟控制区。 有特殊用途场所，应单独划分为火烟控制区。 火灾报警系统与消防系统设计自动报警系统的组成： 火灾自动报警系统是触发器件、火灾报警装置
18、、火灾警报装置以及具有其他辅助功能的装置组成的火灾报警系统 。三种基本形式：1) 区域报警系统 区域报警系统由火灾探测器、手动报警器、区域报警控制器或通用报警控制器、火灾报警装置等构成。 2) 集中报警系统 集中报警系统由火灾探测器、区域火灾报警控制器或用作区域报警的通用火灾报警控制器和集中火灾报警控制器等组成。 3) 控制中心报警系统 控制中心报警系统是由设置在消防控制中心(或消防控制室)的消防联动控制装置、集中火灾报警控制器、区域火灾报警控制器和各种火灾探测器等组成，或由消防联动控制装置、环状布置的多台通用火灾报警控制器和各种火灾探测器及功能模块等组成。结构的抗火设计钢筋混凝土结构的抗火设
19、计1混凝土结构抗火设计要求 无论对混凝土构件还是整体结构层次的抗火设计，均应满足下列要求： (1)结构耐火设计极限时间内，结构的承载力应不小于各种作用产生的组合效应。 (2)规定的各种荷载组合下，结构的耐火时间应不小于规定的结构耐火极限。 (3)火灾下，当结构内部温度均匀时，结构达到承载力极限状态时的温度应不小于耐火极限时间内结构的最高温度。 上述三个要求实际上等效的，进行结构抗火设计时，满足其一即可。2混凝士结构抗火设计计算过程3.混凝土结构抗火设计方法 混凝土构件和结构的高温力学性能全过程分析，可以通过非线性有限元分析获得准确解，从理论上是可行的，但计算复杂，因此有必要建立具有工程准确性，
20、简单实用的构件和结构高温承载力的近似计算方法。 因为混凝土高温抗压强度随温度升高而变化，所以混凝土构件截面上温度的不均匀分布就有相应的不等的抗压强度值，这样使耐火承载力的计算复杂化。Eurocode规范对混凝土抗火等效截面的确定提供了一种简化的方法，它假设混凝土低于500时的高温抗压强度同常温抗压强度，而高于500后的强度取为零，并确定截面500等温线后，原截面就可以简化为一个与常温混凝土强度相等，但面积较小，折算的匀质截面，然后按照普通混凝土构件设计方法进行计算。结构的耐火构造混凝土结构的耐火构造 构造设计的目的就是通过采用巧妙的约束去抵抗结构的过大挠曲和断裂，合理的构造设计可以延长构件的耐
21、火极限，提高结构的安全性和经济性。(1)支座处的连接。在构件支座部位的上部，可以通过上部钢筋的作用，将两个构件形成一个能传递内力的连续整体，这些上部钢筋在火灾期间受到火的影响较小，另一方面受火期间可进行内力重分布。(2)梁的翼缘处理。翼缘过分细长和腹壁太薄都会影响构件的耐火性能。 设计方法：钢结构的耐火构造(3)牛腿构造处理。当需要在构件迎火部位设置半槽边形的牛腿支座时，在没有任何附加保护的情况下，应用一些主筋去保护混凝土的各个棱角边。这些部位混凝土的破碎和爆裂能够导致结构的倒塌，在耐火设计时，要特别注意其细部的处理。(4)支座处构件内钢筋的锚固长度。在火灾状态时，为了避免由于高温而导致钢筋粘
22、结力的大量丧失，应将直形的钢筋锚固长度做成吊钩、弯钩、弯点或机械锚固的形式。 钢结构的受力性能好，但其耐火性能差，一般情况下，裸露钢结构的耐火极限仅15min，纽约世贸中心双子塔楼倒塌的主要原因就是钢结构防火性能不佳。随着钢结构的应用越来越广泛，加强钢结构的防火措施是十分必要的。 (1)加强保护受力状态不好的部位。(2)截面形态与尺寸。当截面周长与截面面积之比较大者，截面接受热量多。耐火性差，受火时最热的部位是凸角部位，温度更容易损坏细长型的构件。 (3)在钢结构表面做耐火保护层。 (4)钢梁、钢屋架下做耐火吊顶，可以使钢梁的升温大为减缓。 (5)在钢构件表面涂覆防火涂料。 加强钢结构的防火措
23、施：预应力钢筋混凝土结构耐火构造 由于预应力钢筋混凝土构件充分发挥了不同材料的良好性能，因而使用广泛，经济效益较好。但是它在受火状态下，钢筋松弛快，当温度超过300后，预应力全部耗损。尤其是预应力楼板挠度很快增大，板底裂缝后失落。当预应力筋保护厚度10mm时，其耐火极限低于0.5h，达不到规范要求，因此必须加强耐火构造设计。1)增加预应力楼板受力筋保护层厚度2)采用预应力混凝土防火涂料墙板的耐火构造 工程中应用的预制墙体和复合材料墙板一般都能满足耐火极限的要求。但是墙板受火和楼板受火受荷载作用会产生变形，使连接处产生过火风道。因此墙板耐火构造的关键在于使墙体与楼板受火灾作用时仍然能保证节点密封，采用不燃性填充料如岩棉、耐火胶泥等。如图所示为墙板的节点构造。
