結(jié)構(gòu)耐火性能分析在建筑性能化防火設(shè)計(jì)中的實(shí)施

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

20世紀(jì)70年代“性能化防火設(shè)計(jì)”的概念被提出。性能化防火設(shè)計(jì)是指根據(jù)工程使用功能和消防安全要求，運(yùn)用消防安全工程學(xué)原理，采用先進(jìn)適用的計(jì)算分析工具和方法，通過(guò)對(duì)建筑環(huán)境中設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)量化和分析進(jìn)而對(duì)建設(shè)工程消防設(shè)計(jì)、方案進(jìn)行綜合分析評(píng)估，判斷建筑抵御火災(zāi)的性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足預(yù)設(shè)的消防安全目標(biāo)，從而優(yōu)化消防設(shè)計(jì)方案的工作方法。

結(jié)構(gòu)耐火性能分析是建筑性能化防火設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。本文詳細(xì)梳理結(jié)構(gòu)耐火性能分析的一般實(shí)施過(guò)程，通過(guò)對(duì)各階段的把握和準(zhǔn)確理解，提高結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)從業(yè)人員對(duì)建筑性能化防火設(shè)計(jì)的理解和解決問(wèn)題的能力。

1 結(jié)構(gòu)耐火性能分析要點(diǎn)

1.1 明確目的

結(jié)構(gòu)耐火性能分析的首要目的即為驗(yàn)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火性能是否滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。通常來(lái)講，建筑方案的確定是以消防安全設(shè)計(jì)符合規(guī)范為前提的，建筑性能化防火設(shè)計(jì)也不例外。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同的是，性能化防火設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)行規(guī)范難以解決的消防設(shè)計(jì)問(wèn)題給予了科學(xué)的延伸，但這并不意味著性能化防火設(shè)計(jì)突破了規(guī)范，而是以等同于現(xiàn)行規(guī)范的安全水平為前提的。因此，無(wú)論是傳統(tǒng)的建筑防火設(shè)計(jì)方法還是性能化防火設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)耐火性能分析的目的都是不變的。

1.2 明確方法

從建筑和結(jié)構(gòu)兩方面分析確定，我們通常采用兩種結(jié)構(gòu)耐火性能分析的方法。

第一種方法，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火極限是否滿(mǎn)足規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火極限要求在《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016和其他相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均有嚴(yán)格且明確的規(guī)定。通過(guò)對(duì)耐火極限的限定，在建筑專(zhuān)業(yè)考量上已經(jīng)滿(mǎn)足各方面防火安全的要求，因而等同于結(jié)構(gòu)的耐火性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

第二種方法，規(guī)范規(guī)定的耐火極限的火災(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。目前，相關(guān)規(guī)范的編制過(guò)程中也提出了基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗火驗(yàn)算方法。將火災(zāi)發(fā)生的概率數(shù)字化，定義為偶然荷載工況。因此，放寬結(jié)構(gòu)驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，即火災(zāi)下只驗(yàn)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)，對(duì)正常使用極限狀態(tài)不做驗(yàn)算要求。承載力極限狀態(tài)一般包括：1)軸心受力構(gòu)件截面屈服；2)受彎構(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；4)構(gòu)件達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形[1]。一般的建筑結(jié)構(gòu)僅需驗(yàn)算構(gòu)件的承載能力，而對(duì)于比較重要的建筑結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的承載能力驗(yàn)算。

從安全和可靠性上考慮，以上兩種方法是等效的。

1.3 明確影響因素

1.3.1 結(jié)構(gòu)的類(lèi)型

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，需要對(duì)鋼構(gòu)件采取一定的保護(hù)措施；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比單純的鋼結(jié)構(gòu)耐火性能有所提高，處于被包裹狀態(tài)下的鋼筋會(huì)得到有效保護(hù)，從而提高結(jié)構(gòu)的耐火性能；鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是將型鋼埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼得到一定厚度的混凝土包裹后，大大提高了材料的耐火性能，因而此種結(jié)構(gòu)形式是目前為止耐火性能最好的結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。

1.3.2 結(jié)構(gòu)的荷載比

這里所謂的荷載比指的是結(jié)構(gòu)承受荷載與其所能承受的極限荷載的比值。對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，隨著溫度的升高，其承載能力會(huì)逐步降低。對(duì)于荷載比較大的結(jié)構(gòu)而言，伴隨火場(chǎng)溫度的升高，這種材料受力缺陷同樣會(huì)被溫度放大，因而荷載比越大，構(gòu)件的耐火極限越小。

1.3.3 結(jié)構(gòu)所處的火災(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)溫度是構(gòu)件升溫的原動(dòng)力，它主要通過(guò)對(duì)流和輻射兩種方式將熱量向構(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。與此同時(shí)，溫度越高，結(jié)構(gòu)材料性能劣化越嚴(yán)重[1]。

1.4 明確分析模型的選取

綜合國(guó)內(nèi)外普遍運(yùn)用的結(jié)構(gòu)耐火性能計(jì)算方法，一般包括三種方法：1)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；2)子結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；3)單一構(gòu)件計(jì)算模型。

我國(guó)在關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)方面也做出了嘗試，相關(guān)規(guī)范也在不斷完善之中。關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能計(jì)算（也可稱(chēng)為抗火驗(yàn)算）規(guī)范大多以結(jié)構(gòu)的跨度、是否采用預(yù)應(yīng)力方式等參數(shù)做出規(guī)定，重要性結(jié)構(gòu)要求采用整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型補(bǔ)充驗(yàn)算；一般結(jié)構(gòu)的相對(duì)重要部分可采用子結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并要求考慮相應(yīng)的邊界條件予以限定；單一構(gòu)件計(jì)算模型適用于對(duì)結(jié)構(gòu)局部體系的某一處構(gòu)件抗火驗(yàn)算，是結(jié)構(gòu)耐火性能計(jì)算的基本方法。

2 結(jié)構(gòu)耐火性能分析步驟

結(jié)構(gòu)耐火性能分析包括溫度場(chǎng)分析和溫度場(chǎng)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。

2.1 結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的建立

確定建筑火災(zāi)溫度場(chǎng)需要火災(zāi)模型?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016提出可采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)作為一般建筑室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型。實(shí)際中，受建筑室內(nèi)可燃物數(shù)量和分布、建筑空間大小及通風(fēng)形式等因素的影響，建筑火災(zāi)千差萬(wàn)別，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。

火災(zāi)模型確定之后，即可對(duì)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。方法及相應(yīng)選取的參數(shù)本文不作詳述。

2.2 結(jié)構(gòu)材料溫度性能確定

結(jié)構(gòu)材料的高溫性能參數(shù)是直接影響耐火性能計(jì)算的重要參數(shù)。實(shí)際操作中，通常以傳統(tǒng)材料的性能指標(biāo)通過(guò)溫度性能折減系數(shù)的方式加以表達(dá)。不同材料的溫度折減系數(shù)，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)、計(jì)算模擬分析等手段獲得，并在實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)程中不斷修正。

2.3 結(jié)構(gòu)火災(zāi)狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合

火災(zāi)作用工況是一種偶然荷載工況，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的相關(guān)要求按偶然設(shè)計(jì)狀況的作用效應(yīng)組合確定，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的溫度標(biāo)準(zhǔn)值采用分項(xiàng)系數(shù)加以調(diào)整。

2.4 結(jié)構(gòu)的抗火驗(yàn)算

不同結(jié)構(gòu)形式的抗火驗(yàn)算略有不同，一般方法歸納為：1）設(shè)定結(jié)構(gòu)初期狀態(tài)參數(shù)；2）計(jì)算結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足要求的溫度場(chǎng)下承受預(yù)期荷載的內(nèi)力組合；3）計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)下承載力；4）對(duì)比計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足，如不滿(mǎn)足則調(diào)整初期狀態(tài)參數(shù)重復(fù)以上步驟，直至滿(mǎn)足要求。

需要說(shuō)明的是，基于性能化防火設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于一些體型復(fù)雜，重要性高的建筑結(jié)構(gòu)，需要考慮溫度場(chǎng)下材料本構(gòu)關(guān)系的變化、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布、整體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過(guò)程，這就需要對(duì)火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)的行為進(jìn)行準(zhǔn)確確定。

結(jié)構(gòu)耐火性能分析是個(gè)復(fù)雜過(guò)程，本文僅針對(duì)建筑性能化防火設(shè)計(jì)所涉及到的有關(guān)方面做了一些介紹和概括，文中某些提法或理解也不免存在偏差，希望能夠得到相關(guān)專(zhuān)業(yè)從業(yè)人員的批評(píng)和指正。