基于構(gòu)件的耐火驗(yàn)算方法及其在鋼結(jié)構(gòu)防火計(jì)算軟件中的應(yīng)用

王澤源

摘? ? 要：防火設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的關(guān)鍵性問(wèn)題。本文結(jié)合《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB 51249—2017的相關(guān)規(guī)定，對(duì)規(guī)范中規(guī)定耐火極限法、承載力法及臨界溫度法的設(shè)計(jì)規(guī)定及流程進(jìn)行梳理。并對(duì)臨界溫度法在PKPM及承載力法在YJK軟件中的實(shí)踐流程進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：承載力法;臨界溫度法;等效熱阻

1? 引言

鋼結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好及施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為建筑中廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式[1，2]。但是其與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，最大的不足是其耐火性能較差，鋼材由于熱傳導(dǎo)系數(shù)大，在火災(zāi)的作用下鋼構(gòu)件的升溫較快，鋼材的強(qiáng)度隨著溫度的升高而迅速降低[3]。因此，科學(xué)合理的進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)成為建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的剛性需求，住建部于2017年7月31日出臺(tái)了《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB 51249—2017（以下簡(jiǎn)稱《鋼防火規(guī)》），以求減少建筑鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。本文以《鋼防火規(guī)》的相關(guān)條文為基礎(chǔ)，對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的基于構(gòu)件的耐火計(jì)算流程進(jìn)行梳理，并采用常用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火計(jì)算操作步驟進(jìn)行實(shí)踐，以期在實(shí)際設(shè)計(jì)中起到一定的提示性作用。

2? 基于構(gòu)件的耐火計(jì)算方法

《鋼防火規(guī)》給出了三種鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗(yàn)算方法，即耐火極限法、承載力法及臨界荷載法。

2.1? 耐火極限法

耐火極限法是在設(shè)計(jì)荷載作用下，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際耐火極限td不應(yīng)小于其設(shè)計(jì)耐火極限tm。對(duì)于實(shí)際耐火極限td，應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)方法或《鋼防火規(guī)》的有關(guān)規(guī)定確定。由于其還是采用基于耐火試驗(yàn)的防火設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)主流的計(jì)算軟件并未采用耐火極限法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火計(jì)算。

2.2? 承載力法

承載力法是指在設(shè)計(jì)耐火極限時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)下鋼構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于其最不利荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值。采用如下計(jì)算流程。

（1）確定一種防火保護(hù)方法?？梢赃x擇為非膨脹型防火涂料，或者為膨脹型防火涂料，也可以設(shè)定為無(wú)防火保護(hù)。

（2）根據(jù)選定的防火保護(hù)方法確定防火保護(hù)參數(shù)。

對(duì)于膨脹型防火涂料，應(yīng)確定防火保護(hù)層的等效熱阻Ri;對(duì)于非膨脹型防火涂料，應(yīng)確定防火保護(hù)材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)λi及預(yù)先設(shè)定防火保護(hù)層厚度di。

（3）根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行空氣升溫計(jì)算。建筑室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線可以根據(jù)《鋼防火規(guī)》（6.1.1-1）式或（6.1.1-2）式進(jìn)行計(jì)算。

（4）鋼構(gòu)件的升溫計(jì)算。對(duì)于無(wú)防火保護(hù)層的鋼構(gòu)件的溫度采用《鋼防火規(guī)》（6.2.1-1）式進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于有防火保護(hù)層的鋼構(gòu)件的溫度按（6.2.2-1）式進(jìn)行計(jì)算。

（5）結(jié)構(gòu)受力分析及荷載效應(yīng)組合。將按火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的溫度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的作用效應(yīng)值按照《鋼防火規(guī)》（3.2.2-1）式及（3.2.2-2）式進(jìn)行組合，按照兩式組合值中的最不利值作為荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sm。

（6）高溫下鋼材的力學(xué)參數(shù)及鋼構(gòu)件的抗力計(jì)算。對(duì)于高溫下鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值折減，可以按照《鋼防火規(guī)》5.1.2條及5.1.4條的相關(guān)公式計(jì)算。然后按照《鋼防火規(guī)》7.1.1條到7.1.7條的相關(guān)公式確定軸拉、軸壓、單向受彎、拉彎及壓彎構(gòu)件的抗力Rd。

（7）判斷構(gòu)件的耐火承載力是否滿足要求。若計(jì)算防火承載力比值小于1，則之前步驟（2）確定的防火保護(hù)層厚度或防火保護(hù)層的等效熱阻滿足耐火計(jì)算要求;若計(jì)算防火承載力比值大于1，則需要重新設(shè)定防火涂料參數(shù)，再次計(jì)算，直至滿足要求。

2.3? 臨界溫度法

臨界溫度法是指在設(shè)計(jì)耐火極限時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)下鋼構(gòu)件的最高溫度不應(yīng)高于其臨界溫度。采用如下計(jì)算流程：

（1）結(jié)構(gòu)受力分析及荷載效應(yīng)組合。此步驟同承載力法，不再贅述。

（2）計(jì)算鋼構(gòu)件的荷載比及確定臨界溫度。按照《鋼防火規(guī)》7.2.1條到7.2.7條的相關(guān)公式確定軸拉、軸壓、單向受彎、拉彎及壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度荷載比R及穩(wěn)定荷載比R，根據(jù)R確定臨界溫度Td，根據(jù)R確定臨界溫度Td”，臨界溫度Td取Td和Td”的較小值。

（3）計(jì)算無(wú)防火保護(hù)鋼構(gòu)件在設(shè)計(jì)耐火極限tm時(shí)間內(nèi)的最高溫度Tm。將按《鋼防火規(guī)》6.2.1條計(jì)算得出的Tm與步驟（2）計(jì)算得到的Td進(jìn)行比較，當(dāng)Td>Tm時(shí)，鋼構(gòu)件即使不采取任何保護(hù)措施在火災(zāi)中也不會(huì)發(fā)生破壞;當(dāng)Td≤Tm時(shí)，則說(shuō)明鋼構(gòu)件需要進(jìn)行防火保護(hù)。

（4）選定一種防火保護(hù)方法，計(jì)算鋼構(gòu)件的截面形狀系數(shù)Fi/V。

（5）確定膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。

當(dāng)火災(zāi)溫度為標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，防火保護(hù)層為輕質(zhì)防火保護(hù)層且Tm不高于700℃時(shí)，可以按照《鋼防火規(guī)》7.2.8條的顯式公式直接計(jì)算出膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。當(dāng)不滿足上述條件時(shí)，應(yīng)按照《鋼防火規(guī)》6.2.2條的有防火保護(hù)的鋼構(gòu)件升溫迭代公式，經(jīng)過(guò)多次試算計(jì)算出膨脹型防火涂料的等效熱阻Ri或非膨脹型防火涂料的厚度di。

3? 鋼結(jié)構(gòu)耐火計(jì)算在程序中的實(shí)踐

3.1? 鋼結(jié)構(gòu)耐火計(jì)算在PKPM中的應(yīng)用

PKPM軟件采用的是臨界溫度法。

首先要在SATWE的參數(shù)設(shè)置中勾選“是否進(jìn)行防火設(shè)計(jì)”，定義火災(zāi)升溫曲線、鋼材物理參數(shù)及保護(hù)層類型等參數(shù)，進(jìn)一步是定義防火涂料的性質(zhì)，對(duì)于膨脹型防火涂料主要是防火涂料的比熱及密度，對(duì)于非膨脹型防火涂料主要是定義熱傳導(dǎo)系數(shù)。定義完主要參數(shù)之后，在SATWE前處理的抗火設(shè)計(jì)定義中，將構(gòu)件的耐火等級(jí)、耐火極限及所采用的防火涂料分別定義給所要計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)的梁、柱及支撐。然后進(jìn)行計(jì)算，在SATWE后處理的配筋結(jié)果中選擇“防火保護(hù)層厚度”按鈕，就可以輸出鋼結(jié)構(gòu)耐火驗(yàn)算的結(jié)果，對(duì)于非膨脹型防火涂料，會(huì)給出所需要涂刷防火涂料的等效熱阻Ri，施工單位根據(jù)涂料廠家給出的使用厚度對(duì)應(yīng)的等效熱阻確定膨脹型防火涂料的施涂厚度;對(duì)于非膨脹型防火涂料，軟件會(huì)直接給出所需要的非膨脹型防火涂料的施涂厚度及其對(duì)應(yīng)的等效熱阻。

3.2? 鋼結(jié)構(gòu)耐火計(jì)算在YJK中的應(yīng)用

與PKPM不同，YJK采用的是承載力法。

首先在YJK參數(shù)輸入中勾選“進(jìn)行承載力法防火驗(yàn)算”，定義結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、承載力驗(yàn)算時(shí)溫度內(nèi)力折減系數(shù)及燃燒物類型等參數(shù);然后在“溫度荷載”選項(xiàng)卡中選擇“防火升溫”，若采用非膨脹型防火涂料，應(yīng)分別給梁柱及支撐定義耐火極限、防火涂料的厚度及等效熱傳系數(shù);若采用膨脹型防火涂料，則需要給梁柱及支撐定義設(shè)計(jì)耐火極限及等效熱阻，等效熱阻一般填入0.4～0.5比較合理。在進(jìn)行計(jì)算之前，還應(yīng)注意應(yīng)將結(jié)構(gòu)的樓板定義為彈性樓板，否則無(wú)法計(jì)算。然后，進(jìn)入結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果查看可以得到鋼結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)下的應(yīng)力比。

4? 結(jié)語(yǔ)

《鋼防火規(guī)》3.2.1條將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行耐火驗(yàn)算與防火設(shè)計(jì)納入強(qiáng)條。在今后的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)加入鋼結(jié)構(gòu)防火計(jì)算的內(nèi)容。本文對(duì)規(guī)范的相關(guān)條文進(jìn)行梳理，基于軟件操作對(duì)規(guī)范中規(guī)定的承載力法及臨界溫度法的計(jì)算流程進(jìn)行闡述，以求在實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到提示性作用，設(shè)計(jì)出可以滿足規(guī)范規(guī)定的防火要求的結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50017—2017.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 沈祖炎，陳以一，陳揚(yáng)驥等.鋼結(jié)構(gòu)基本原理[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2018.

[3] GB 51249—2017.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范[S].