建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析

　　一、影響建筑結(jié)構(gòu)耐火性能的因素

　　(一)結(jié)構(gòu)類(lèi)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(jī)械化程度高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但鋼結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)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(jìn)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?chē)臏囟容^低，并能保持結(jié)構(gòu)安全時(shí)，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(chǎng)合時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火能力也可能不滿足要求。這時(shí)，需要進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的耐火性能評(píng)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)。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(diǎn)，具有承載能力高、延性好等優(yōu)點(diǎn)。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(méi)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(jìn)行防火保護(hù)。

　　(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。火災(zāi)下，結(jié)構(gòu)承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強(qiáng)度降低，構(gòu)件的承載能力降低。當(dāng)構(gòu)件的荷載達(dá)到極限荷載，構(gòu)件就達(dá)到了火災(zāi)下的承載能力，構(gòu)件就達(dá)到了耐火極限狀態(tài)，開(kāi)始倒塌破壞，這時(shí)的耐火時(shí)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(shí)間?；馂?zāi)高溫是構(gòu)件升溫的源泉，它通過(guò)對(duì)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(dòng)者，火災(zāi)規(guī)模對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)有明顯的影響。當(dāng)火災(zāi)高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，構(gòu)件的升溫也較高。

　　(四)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件溫度場(chǎng)

　　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(chǎng)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(chǎng)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(yàn)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(yàn)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(shí)的火災(zāi)溫度場(chǎng)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(jì)防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045及其他相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求一致。

　　(二)構(gòu)件抗火極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求

　　《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國(guó)標(biāo)報(bào)批稿)提出了基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗火驗(yàn)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(yàn)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(guó)標(biāo)報(bào)批稿)，火災(zāi)下只進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算，不需要正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)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;

　?、谑軓潣?gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機(jī)構(gòu);

　　③構(gòu)件整體喪失穩(wěn)定;

　?、軜?gòu)件達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形。對(duì)于一般的建筑結(jié)構(gòu)，可只驗(yàn)算構(gòu)件的承載能力，對(duì)于重要的建筑結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的承載能力驗(yàn)算。

　　三、計(jì)算分析模型

　　抗火驗(yàn)算時(shí)建筑結(jié)構(gòu)耐火性能計(jì)算(一般也可稱(chēng)為抗火驗(yàn)算)一般有三種方法：第一種采取整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型;第二種采取子結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型;第三種采取單一構(gòu)件計(jì)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(jì)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-81-2011)規(guī)定，對(duì)于高度大于100m的高層建筑結(jié)構(gòu)宜采用整體計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火計(jì)算，單層和多層建筑結(jié)構(gòu)可只進(jìn)行構(gòu)件的抗火驗(yàn)算。

　　實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件總是和其他構(gòu)件相互作用，獨(dú)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(jìn)行構(gòu)件耐火性能分析時(shí)，構(gòu)件的邊界條件可取受火前的邊界條件，并在受火過(guò)程中保持不變。

　　整體結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估模型是一種高度非線性分析，計(jì)算難度較高，需要專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)和專(zhuān)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(chǎng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)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(shí)，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)高溫下安全性分析還需要確定火災(zāi)時(shí)的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進(jìn)行高溫下結(jié)構(gòu)的抗火驗(yàn)算了。

　　結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析

　　確定建筑火災(zāi)溫度場(chǎng)需要火災(zāi)模型。我國(guó)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計(jì)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(guó)標(biāo)報(bào)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(shí)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(duì)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(chǎng)，也可采用火災(zāi)模擬軟件對(duì)建筑火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　確定火災(zāi)模型之后，即可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)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(jìn)行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫?zé)峁ば阅堋⒘W(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。在進(jìn)行構(gòu)件溫度場(chǎng)分布的分析時(shí)涉及到的材料熱工性能有3項(xiàng)，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(xiàng)推導(dǎo)出。

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