大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的方法研究

朱 思 佳

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的方法研究

朱 思 佳

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

介紹了大跨度建筑的火災(zāi)特點(diǎn)，結(jié)合大跨度鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，分析了火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性承載力及臨界溫度和耐火極限，提出應(yīng)當(dāng)采用各種技術(shù)手段，對(duì)大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的性能化抗火設(shè)計(jì)，以保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火安全。

大跨度建筑，鋼結(jié)構(gòu)，抗火設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國城市化建設(shè)的速度不斷加快，建筑行業(yè)得到了長足的進(jìn)步。大跨度建筑以其多方面的優(yōu)勢，逐漸得到了越來越廣泛的應(yīng)用，例如大型商場、機(jī)場車站、世博展館、奧運(yùn)場館等。鋼結(jié)構(gòu)具有污染少、投資回報(bào)快、抗震性能好、施工周期短、安裝容易、自重輕等優(yōu)勢，已經(jīng)成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域最為主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。但是，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能十分有限，在火災(zāi)來臨的時(shí)候，其剛度和強(qiáng)度下降很快。同時(shí)，大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)面積較大、空間廣闊，容易促使火災(zāi)的擴(kuò)大化，因而具有很大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

1 大跨度建筑火災(zāi)特點(diǎn)

如果建筑物發(fā)生火災(zāi)，通?？梢岳梅阑鸱罒煼謪^(qū)對(duì)火勢進(jìn)行控制。但是在大跨度建筑當(dāng)中，防火隔煙措施無法有效的利用，因此火勢很容易蔓延。在普通建筑中，對(duì)煙氣濃度或溫度可以利用火災(zāi)探測器進(jìn)行探測。但是大跨度建筑由于空間廣闊，在空氣稀釋作用下，煙氣濃度或火災(zāi)溫度受到降低，無法及時(shí)啟動(dòng)火災(zāi)探測器。同時(shí)，在普通建筑中，在棚頂安裝灑水噴頭能夠有效的控制火勢。但是，在大跨度建筑當(dāng)中，由于受到與火災(zāi)探測器相同的條件限制，這種灑水噴頭也無法發(fā)揮出良好的效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，大跨度建筑通常都是人員較為密集的場所。一旦火災(zāi)來臨，無法在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)人員進(jìn)行有效的疏散，容易造成人員被困火場的危險(xiǎn)局面，給消防工作帶來了極大的麻煩。由于大跨度建筑的鋼結(jié)構(gòu)就是建筑物的骨骼，一旦發(fā)生火災(zāi)，在大火和高溫的影響下，鋼結(jié)構(gòu)將會(huì)變得十分脆弱，承載力將會(huì)嚴(yán)重下降，這樣，將很有可能導(dǎo)致建筑物頂棚坍塌，或者是主體結(jié)構(gòu)倒塌，將會(huì)對(duì)火場中被困的人員和財(cái)產(chǎn)造成極大的危害[1]。相比于普通的建筑物火災(zāi)，大跨度建筑發(fā)生火災(zāi)最大的特點(diǎn)在于，建筑物內(nèi)部的空間過大，因此在大跨度建筑中，通常不會(huì)出現(xiàn)普通建筑火災(zāi)中設(shè)備可燃物同時(shí)燃燒的情況。火災(zāi)會(huì)在一定的區(qū)域內(nèi)相對(duì)集中，空氣溫度的上升也不會(huì)像普通建筑火災(zāi)那樣迅速。

2 火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性承載力

2.1 有限元的基本原理

有限元法在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，是一種十分有效的數(shù)值分析方法，最初用于分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)。隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用，在工程建筑領(lǐng)域當(dāng)中，有限元法逐漸替代了傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)法，同時(shí)也取代了很多模型試驗(yàn)工作的內(nèi)容。在工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中，需要對(duì)幾何與材料的雙重非線性進(jìn)行考慮。其中，幾何非線性問題通常用于鋼結(jié)構(gòu)的大撓度、大位移，而材料非線性通常是研究非線性彈性和非線性彈塑性等問題。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)非線性平衡方程進(jìn)行計(jì)算，主要采用的則是增量迭代計(jì)算法。

2.2 火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)非線性分析

在火災(zāi)影響下，鋼結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)兩種失穩(wěn)情況。局部失穩(wěn)主要是局部的結(jié)構(gòu)剛度消失或軟化，使得位移與荷載之間的關(guān)系會(huì)從平衡位置偏離，局部出現(xiàn)較大的幾何變位。整體失穩(wěn)是整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)軟化屈曲和變形，產(chǎn)生較大的位移，同時(shí)偏離平衡位置。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的非線性方面，主要包括幾何非線性和材料非線性兩個(gè)方面[2]。相比于跨度來說，鋼結(jié)構(gòu)的厚度很小，因此常溫下鋼結(jié)構(gòu)幾何非線性十分重要。在火災(zāi)的作用下，鋼結(jié)構(gòu)的雙重非線性將會(huì)得到十分明顯的體現(xiàn)，因此在進(jìn)行非線性分析的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)幾何非線性和材料非線性進(jìn)行綜合考慮。

2.3 高溫下鋼結(jié)構(gòu)的性能

在火災(zāi)高溫的影響下，鋼結(jié)構(gòu)的性能將會(huì)產(chǎn)生十分明顯的變化。其中，與性能化抗火設(shè)計(jì)相關(guān)的性能主要是物理性能和力學(xué)性能。其中物理性能主要包括密度、比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等，通過這些因素對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度進(jìn)行計(jì)算。而力學(xué)性能主要包括應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系、彈性模量、屈服強(qiáng)度等，通過這些因素，對(duì)構(gòu)件的抗火性能、高溫下結(jié)構(gòu)的形變和內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。其中高溫下鋼結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和溫度的關(guān)系如圖1所示，彈性模量與溫度的關(guān)系如圖2所示。

3 火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度和耐火極限

在火災(zāi)當(dāng)中，當(dāng)鋼構(gòu)件達(dá)到抗火承載能力的極限狀態(tài)時(shí)，其所承受的最大溫度，就是鋼構(gòu)件的臨界溫度。而在鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到抗火承載能力的極限狀態(tài)時(shí)，所有構(gòu)件的最大溫度就是鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度[3]。鋼構(gòu)件的臨界溫度和鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度，統(tǒng)稱為鋼的臨界溫度。在火災(zāi)的破壞作用下，鋼構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)容易受到壓力而發(fā)生屈曲或拉斷，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)主體倒塌。對(duì)火災(zāi)當(dāng)中鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度和耐火極限進(jìn)行分析，通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞路徑進(jìn)行跟蹤，對(duì)鋼構(gòu)件的局部失效、傳播擴(kuò)散、整體結(jié)構(gòu)破壞等過程進(jìn)行分析，進(jìn)而得出相應(yīng)的結(jié)論。

在有限軟件對(duì)火災(zāi)的模擬過程當(dāng)中，主要包括常溫加載和恒載升溫兩個(gè)階段[4]。常溫加載是施加節(jié)點(diǎn)靜力荷載在結(jié)構(gòu)中，對(duì)常溫下實(shí)際結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行分析，從而取得構(gòu)件的形變和內(nèi)力。恒載升溫是施加節(jié)點(diǎn)溫度荷載在結(jié)構(gòu)上，對(duì)火災(zāi)中的升溫過程進(jìn)行模擬，在不斷升溫的過程中，對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的破壞情況進(jìn)行觀察和分析。

通常來說，在大跨度建筑當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)的主要功能就是對(duì)外部荷載進(jìn)行受力。在火災(zāi)當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部的溫度會(huì)不斷上升，鋼結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度和彈性模量將會(huì)降低，從而影響鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。鋼結(jié)構(gòu)的承載能力不斷下降，一旦其下降到與火災(zāi)中外荷載產(chǎn)生的組合效應(yīng)相同的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)就達(dá)到了火災(zāi)承載力的極限狀態(tài)[5]。在恒載升溫測試中，如果鋼構(gòu)件等效塑性應(yīng)變大于0.2%，應(yīng)判定其失效，采用單元生死技術(shù)將其殺死，之后繼續(xù)測試分析，直到整體結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)為止，就能夠判斷出大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度和耐火極限。

4 結(jié)語

大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑是當(dāng)前建筑領(lǐng)域當(dāng)中十分常用的建筑形式之一，具有很多方面的優(yōu)勢。但是，其劣勢也十分明顯，尤其是其抗火性能更是十分有限。而這種建筑通常都是人員和財(cái)產(chǎn)較為密集的場所，因此一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢很難得到控制，將會(huì)很容易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)采用各種技術(shù)手段，對(duì)大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)防火性能相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而正確的進(jìn)行性能化抗火設(shè)計(jì)，保障大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火安全。

[1] 郭 勝.大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)方法[D].上海：上海交通大學(xué),2012.

[2] 史健勇,孫 旋,劉文利,等.基于整體的大空間鋼結(jié)構(gòu)性能化防火設(shè)計(jì)方法研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,10(5):69-78.

[3] 李國強(qiáng),李兆治.鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)的初步設(shè)想[J].消防科學(xué)與技術(shù),2012,10(1):46-48.

[4] 朱 杭.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化防火設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

[5] 王燁華,沈祖炎,李元齊.大跨度空間結(jié)構(gòu)抗火研究進(jìn)展[J].空間結(jié)構(gòu),2012,10(2):3-12.

Research on fire resistant design method of long-span steel structure performance

Zhu Sijia

(CivilEngineeringCollege,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

This paper introduced the fire characteristic of large-span buildings, combining with the characteristics of large-span steel structure itself, analyzed the carrying critical temperature and fire resisting limit of steel structure stability in fire, put forward that we should take a variety of technical means, made science performance fire resistance design of large span steel structure buildings, so as to ensure the fire safety of large-span steel structure buildings.

large span building, steel structure, fire resistance design

2015-04-09

朱思佳(1993- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)17-0028-02

TU391

A