鋼結構抗火設計概述

衣娜 沈巧智 王暉 李榮

摘要：本文論述了鋼結構的優(yōu)缺點、鋼結構火災危害及鋼結構杭火設計的目的與要求，介紹了傳統(tǒng)的鋼結構抗火設計方法及其缺陷，指出基于火災高溫結構承載極限狀態(tài)的現代鋼結構抗火設計方法和性能化鋼結構抗火設計方法是今后鋼結構抗火設計方法的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：鋼結構；抗火設計；傳統(tǒng)方法；現代方法；性能化結構設計

中圖分類號：TU319 文獻標識碼： A

一、引言

鋼結構是現代建筑工程中較普遍的結構形式之一，隨著我國經濟的發(fā)展和建筑技術的日新月異，鋼結構這種建筑結構形式以其重量輕承載力大、塑性韌性好、施工簡便、布置靈活等特點廣泛應用于超高層建筑、體育館和大型廠房等建筑中，中國鋼結構代表性建筑有國家體育館、水立方、國家大劇院、上海環(huán)球金融中心、南京長江大橋等。但是鋼結構耐火性差，鋼結構在耐火方面有兩個致命的缺點，一是鋼材的導熱系數很大，火災下無防火保護的鋼構件的溫度隨著環(huán)境溫度的上升在15min內就可能超過600℃；二是鋼材的強度和彈性模量隨著溫度的上升而下降，溫度為600℃時，鋼材的強度和彈性模量將降至常溫下的一半，承載力大大下降，因此在火災中鋼結構極易受到破壞或倒塌。

二、鋼結構火災危害

鋼結構在火災下很容易遭到破壞甚至倒塌。例如,1993年我國福建泉州一座鋼結構冷庫發(fā)生火災,造成3600m2的庫房倒塌；1996江蘇省昆山市的一輕鋼結構廠房發(fā)生火災 , 4320m2的廠房燒塌；1998年北京某家具城發(fā)生火災, 造成該建筑 (鋼結構)整體倒塌；2001年美國“9.11”事件中紐約世貿大廈的倒塌,普遍認為飛機撞擊后引起的火災是主要原因；而同年臺灣一幢26層的高層鋼結構建筑發(fā)生火災,造成了梁、梁柱連接及樓板的嚴重破壞[1]；2003年上海某鋼結構廠房發(fā)生火災,造成整體結構倒塌。鋼結構火災給人類的生命、財產安全造成了重大損失，因此，鋼結構抗火設計至關重要

三、鋼結構抗火設計目的

鋼結構抗火設計,一般期望達到如目的:

(l) 減輕結構構件在火災中的破壞,避免構件在火災中局部倒塌造成滅火及人員疏散困難；

(2) 避免結構在火災中整體倒塌造成人員傷亡；

(3) 減少火災后結構的修復費用 , 縮短災后結構功能恢復周期 ,減少間接經濟損失；

四、鋼結構抗火的計算模型

結構分析模型可采用構件模型、子結構模型和整體結構模型。構件模型相對簡單，但難以準確模擬邊界約束條件。而子結構模型可以解決這一問題，但計算要比構件模型復雜。整體結構模型可以準確反映火災下鋼框架整體的行為，但計算工作量最為復雜。構件模型和子結構模型可用于火災下構件層次的結構承載力極限狀態(tài)分析，整體結構模型主要應用于火災下整體結構層次的結構承載力極限狀態(tài)分析。

五、鋼結構抗火設計要求

鋼結構抗火設計中，無論是構件層次還是整體結構層次，均需滿足下列要求：

1.在各種荷載效應組合下，鋼結構耐火時間應不小于規(guī)定的結構耐火極限；

2.在規(guī)定的結構耐火極限內，鋼結構的抗力應不小于荷載組合效應。

上述兩個要求是等效的，滿足其一即可,可統(tǒng)一表示為：

結構抗火能力≥結構抗火需求

六、鋼梁抗火設計方法

1.傳統(tǒng)鋼結構抗火設計方法

這種方法是基于試驗的構件抗火設計方法，該方法以試驗為依據，對構件在一定荷載分布與標準升溫條件下進行耐火試驗，從而確定采取不同的防火保護措施后構件的耐火時間。通過進行一系列的耐火試驗，可確定各種防火措施下構件的耐火時間。進行鋼結構抗火設計時，可根據不同構件的耐火時間要求，直接選取相應的防火保護措施。這種方法簡單、直觀，我國現行GBJ 16-87 《建筑設計防火規(guī)范》[2]中關于梁和柱的防火措施的要求正是基于此法。然而該試驗方法存在很多缺陷。

（1）構件的端部約束難以實現。鋼梁在整體結構中受到相鄰構件（柱子）對其的約束構件端部約束狀態(tài)不同，構件的承載力以及火災升溫所產生的構件溫度內力將不同[3]，而這兩方面對鋼梁的耐火時間有重要的影響，結構中構件的端部約束千變萬化，試驗很難全面準確的模擬。

（2）鋼梁上的荷載分布及大小難以模擬。而荷載分布及大小對構件耐火時間的影響很大，實際構件受力各不相同 , 試驗難以概全。

（3）結構的耐火時間基于ISO834升溫曲線確定,而現有的研究表明真實火災與火荷載密度、通風條件、建筑形式等因素密切相關, ISO834曲線并不能反應火災的真實情況。而火災升溫曲線對結構耐火時間有很大影響。

（4）構件受火后在結構中會產生溫度應力 , 而這一影響在構件試驗中也難以準確反映。

鑒于試驗的上述缺陷, 結構抗火設計方法已開始從基于試驗的傳統(tǒng)方法, 轉為基于計算的現代方法, 特別是英國、瑞典、美國、日本等從20世紀70年代就大規(guī)模地開展了考慮上述諸因素的結構抗火計算與設計方法的研究。

2.現代鋼結構抗火設計方法

為解決基于試驗的結構抗火設計方法存在的問題，可利用熱傳導理論和結構分析理論，考慮構件的受力大小和形式，構件的截面尺寸、構件的約束形式對構件抗火能力的影響，通過計算確定構件的抗火能力，更符合客觀實際。現代人們建立了完善的工程結構計算理論 , 有限元理論更是解決了復雜工程結構 (如大壩、大垮橋梁、高層建筑等) 的分析計算問題,這些結構分析和承載力計算理論經試驗驗證后 , 被各種設計規(guī)范采納 ,各種結構僅依據計算即可完成設計。這種依據計算進行結構設計的方法,可稱為現代結構設計方法,其用于結構設計的步驟為:

（1） 進行結構在外荷載下的分析,確定結構內力 ；

（2）計算結構構件承載力 ；

（3）判別構件承載力是否大于構件內力。如果是, 則結構安全,如果否,則結構不安全。

3.性能化結構抗火設計方法[4]

這種方法對結構抗火需求進行改進，根據具體結構對象，直接以人員安全和火災經濟損失最小為目標，確定結構抗火需求；另考慮實際火災升溫及結構整體性能對結構抗火能力的影響。由于性能化方法以結構抗火需求為目標，最大程度地模擬結構的實際抗火能力，因此是一種先進的抗火設計方法。但是要使鋼結構性能化抗火設計方法得以具體實施,除需解決有理論問題外,業(yè)主、設計人員、消防主管部門的觀念更新也是一個重要的方面。

七、總結

本文分析了鋼梁抗火設計的目的、要求和方法，指出了傳統(tǒng)鋼結構抗火設計方法的優(yōu)缺點，隨著結構抗火理論研究的深人和結構抗火計算理論的完善,依據計算就能實現的基于結構高溫承載極限狀態(tài)的現代鋼結構抗火設計方法必將得到推廣應用。2000年頒布的上海市標準《建筑鋼結構抗火技術規(guī)程》中，首次采用了基于計算的方法進行鋼結構抗火設計。目前，國內外已將性能化方法引入建筑消防安全設計，性能化抗火設計設計方法將會是今后鋼結構抗火設計方法的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1] 李國強．現代鋼結構抗火設計方法．消防科學與技術[J]，2002年第1期．

[2] 中華人民共和國國家標準．建筑設計防火規(guī)范(GB16－87,修訂本)北京：[S]，北京：中國計劃出版社．

[3] 郭士雄，李國強．火災下約束鋼梁的受力性能及抗火設計方法,建筑結構，2005,12．

[4] 李國強．性能化鋼結構抗火設計（第十三屆全國結構工程學術會議特邀報告），工程力學，2004,12．