建筑耐火結(jié)構(gòu)課程設(shè)計

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文檔簡介

1、　　中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院　　__建筑結(jié)構(gòu)耐火課程設(shè)計　　課程名稱建筑結(jié)構(gòu)與防火設(shè)計　　建筑結(jié)構(gòu)耐火安全分析與評估　　結(jié)構(gòu)耐火一般通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取防火保護措施，使其在火災(zāi)中承載力降低不多而滿足受力要求來實現(xiàn)。因此，建筑物中主要受力構(gòu)件的耐火

2、性能應(yīng)能在合理的基礎(chǔ)上保持建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的安全性和整體穩(wěn)定性。對建筑構(gòu)件進行耐火設(shè)計時應(yīng)考慮如下因素：　　1）建筑物的耐火等級；　　2）構(gòu)件的重要性；　　3）構(gòu)件的形式及其在建筑中的部位；　　4）建筑物內(nèi)的火災(zāi)荷載、可能的火災(zāi)強

3、度、火災(zāi)的危險性；　　5）防火分區(qū)的大小及其分隔方式；　　6）建筑物內(nèi)部滅火系統(tǒng)的設(shè)置情況及其可靠性和有效性；　　7）建筑物的重要性；　　8）消防隊是否能及時救援及其救援能力；　　9）人員安全疏散所需要的時間。

4、　　正常情況下，建筑室內(nèi)火災(zāi)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱仙绞覂?nèi)頂棚或屋蓋下的空間內(nèi)。對于本工程的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系，其中起承重作用的鋼桁架及下拉索等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件會直接與熱煙氣接觸，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量將傳給鋼構(gòu)件。如果無外界條件干擾，鋼構(gòu)件的溫度將在一定時間內(nèi)不斷升高，結(jié)果可能導(dǎo)致構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)的失效。　　1 鋼結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)、耐火設(shè)計要求及計算條件<p

5、>　　火災(zāi)條件下，隨著鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的升高，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力將下降，當(dāng)結(jié)構(gòu)的承載能力下降到與外荷載（包括溫度作用）產(chǎn)生的組合效應(yīng)相等時，則結(jié)構(gòu)達到受火承載力極限狀態(tài)。　　當(dāng)滿足以下條件之一時，則認為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到耐火承載力極限狀態(tài)：　　1）軸心受力構(gòu)件的截面屈服；　　2）受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機

6、構(gòu)；　　3）構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定。　　從火災(zāi)發(fā)生到結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到耐火承載力極限狀態(tài)的時間為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限。　　對于鋼結(jié)構(gòu)，無論是構(gòu)件層次還是整體結(jié)構(gòu)層次的耐火設(shè)計，均應(yīng)滿足下列要求：　?。?）在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限的時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的承載力Rd應(yīng)不小于各種作用所產(chǎn)生的

7、組合效應(yīng)Sm，即Rd≥Sm；　?。?）在各種荷載效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)的耐火時間td應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限tm，即td≥tm；　?。?）火災(zāi)下，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻時，若取結(jié)構(gòu)達到承載力極限狀態(tài)時的內(nèi)部溫度為臨界溫度Td，則應(yīng)不小于在耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度Tm，即Td≥Tm。　　上述三個要求實際上是等效的，進行

8、結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計時，滿足其一即可。　　目前，國家規(guī)范《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GBJ16-87）和《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50045-95，2001版）對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚無明確的防火保護層厚度的具體規(guī)定。而我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》（CECS 200:2006）在考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最不利內(nèi)力組合的基礎(chǔ)上，可以進行該類構(gòu)件的耐火計算和驗算。為了保證火災(zāi)時屋蓋體系的耐火安全，

9、同時充分利用建筑鋼結(jié)構(gòu)中的新技術(shù)、新材料，選擇后者作為本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系耐火設(shè)計的依據(jù)。　　北京國際會展中心設(shè)計單位提供的屋蓋體系鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括桅桿、撐桿、索、桁架弦桿和腹桿等的耐火設(shè)計計算條件如下： 　　1）所有桿件耐火極限都要求達到2h；　　2）索材質(zhì)為預(yù)應(yīng)力鋼絲，桅桿材質(zhì)為Q345C，其余構(gòu)件的材質(zhì)均為

10、Q345B；　　3）本工程的最不利荷載為：屋面恒荷載：屋面荷載0.4kN/m2，吊頂管線0.1kN/m2，下弦的吊掛荷載1.0kN/m2；屋面活荷載：展廳上空0.7kN/m2；風(fēng)荷載：W1=0.4/1.4×10=2.85kN/m2；W2=-1.4/1.4×10=-10kN/m2；雪荷載：基本雪壓為0.40kN/m2（50年一遇）；

11、4）本工程使用的厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能應(yīng)符合國家有關(guān)標準CECS24: 90，1990《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和GB14907-2002，2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》，涂料性能指標要求見表1。　　表1 厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能指標要求　　需要計算的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面規(guī)格及其在最不利荷載組合條件下構(gòu)件達到的最大應(yīng)力比等條件見表2。</p

12、>　　表6.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表　　對本工程的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行了防火保護層厚度的設(shè)計計算　　方案：根據(jù)設(shè)計單位提供的本工程最不利荷載作用，按照國家規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）進行承載力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合，即；然后按照我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》(CECS

13、 200:2006)進行火災(zāi)下荷載效應(yīng)組合，即，暫不考慮溫度內(nèi)力。依據(jù)該規(guī)程的第5.2.3條，在內(nèi)力組合中不考慮溫度內(nèi)力的情況下，應(yīng)將計算所得的保護層厚度增加30%作為構(gòu)件的保護層設(shè)計厚度。針對本工程最不利荷載的情況，可計算出兩部規(guī)范（程）荷載效應(yīng)組合比值的最大值為0.593。用0.593乘以最不利荷載下的最大應(yīng)力比作為火災(zāi)下的最大應(yīng)力比，同時根據(jù)我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》(CECS 200:2006)，將材料強度的設(shè)

14、計值乘以鋼材耐火設(shè)計強度調(diào)整系數(shù)?R (一般可取?R =1.1)，據(jù)此進行防火保護層厚度的設(shè)計計算。　　2 計算過程和步驟　　2.1 截面特性計算　　構(gòu)件截面形式有如下三種：圓實心截面，圓管截面和H形截面。參考李國強、蔣首超、林桂祥著《鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計》(2006），三種截面的構(gòu)件截面形狀系數(shù)Fi/V的計

15、算公式如下，計算結(jié)果如表3所示。　　圓實心截面　　（李國強、蔣首超、林桂祥著《鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計》2006）　　圓管截面　　（李國強、蔣首超、林桂祥著《鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計》2006）</

16、p>　　H形截面　?。ɡ顕鴱?、蔣首超、林桂祥著《鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計》2006）　　表3 截面特性計算結(jié)果　　2.2 保護層厚度計算　　計算時用到的鋼材和厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的材料

17、特性如下：　　鋼材：　　密度：?s =7850kg/m3　　比熱：cs=600J/(kg.K)　　導(dǎo)熱系數(shù)：?s =45.0W/(m.K)。　　防火涂料：

18、　　密度：?i =400kg/m3　　比熱：ci=1047J/(kg.K)　　導(dǎo)熱系數(shù)：?i =0.116W/(m.K)。　　方案：　　當(dāng)采用按我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》（CE

19、CS 200:2006）進行荷載效應(yīng)組合獲得的最不利應(yīng)力比時，各構(gòu)件所需防火保護層厚度計算過程如下：　　計算過程：（以下拉索?109為例）　　一、輕質(zhì)保護層：　　1）計算耐火極限為2h時構(gòu)件溫度（構(gòu)件溫度的計算采用我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》（CECS 200

20、:2006）公式6.3.1、公式6.3.3：　　初步選定保護層厚度為di =5mm　　保護層為輕質(zhì)保護層　　=　　=698℃<p

21、>　　由于Ts>600℃超出適用范圍，因此di=5mm不滿足要求，增大di為7mm，計算得：B=544，Ts=595℃.二分法取di=6，得B=709.53 Ts=609℃ 不滿足要求；取di=6.5 B=654.95 Ts=574℃ 滿足要求但溫度不夠接近600℃ ；取di=6.3 B=675.75 Ts=588℃ ，滿足要求　　鋼的高溫材性：</b&g

22、t;　　300℃≤Ts≤800℃時，高溫下鋼材強度折減系數(shù)：　　3）保護層厚度的確定　　該構(gòu)件應(yīng)力比，其中，為火災(zāi)下構(gòu)件最大應(yīng)力，為鋼材強度設(shè)計值。　　由我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》公式7.2.1、公式7.2.2-1可知： <p

23、>　　應(yīng)力比，其中，為高溫下鋼材強度折減系數(shù)，為鋼材抗火設(shè)計強度調(diào)整系數(shù)，取1.1。因此，di =6.3mm滿足要求。　　考慮溫度應(yīng)力的影響，依據(jù)我國工程建設(shè)規(guī)范《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》（CECS 200:2006）第5.2.6條規(guī)定，應(yīng)將保護層厚度加大30%，此時di =8.2mm。　　二、非輕質(zhì)保護層：&

24、lt;/p>　　經(jīng)初步計算得該保護層為非輕質(zhì)保護層，不能再用上面的方法直接計算，因此必須進行處理。過程如下：　　對截面形狀系數(shù)進行修正，修正后的截面形狀系數(shù)為：　　把數(shù)據(jù)帶入以上公式，得到μ=0.509，　?。ㄒ韵缕渌麡?gòu)件計算過程相同，就不在重復(fù)敘述）<p

25、>　　3 程序計算：　　程序使用說明:1、選擇鋼構(gòu)件的類型，根據(jù)不同類型的鋼構(gòu)件計算出截面形狀系數(shù)。　　2、選擇鋼構(gòu)件的位置，不同的位置數(shù)據(jù)參數(shù)（高，厚，寬等）程序已定義。保護層厚度程序隨機產(chǎn)生，知道計算結(jié)果Ts足夠接近600℃ 為止。　　1、下拉索（規(guī)格：?109）：

26、　　2、上拉索（規(guī)格：?118）：　　3、撐桿1（規(guī)格：?18×273）：　　4、撐桿2（規(guī)格：?36×950）：　　5、桅桿壓桿（規(guī)格：?36×2000）：　　6、腹桿（規(guī)格：H200×2

27、50×8×14）:　　7、主桁架弦桿（規(guī)格：H400×200×10×16）:　　8、次桁架弦桿（規(guī)格：H400×200×8×14）:　　9、上弦支撐（規(guī)格：H400×450×18×30）: </p&

28、gt;　　3 計算結(jié)果匯總　　各個構(gòu)件的計算結(jié)果匯總表　　參考文獻　　[1] 李國強、蔣首超、韓林海、樓國彪著,鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計,中國建筑工業(yè)出版社，2006　　[2]

29、建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范（CECS 200:2006），2006　　附錄：　　VB程序代碼　　Private Sub Command1_Click()　　Dim a, b, c, d, e, g,

30、 fv As Single, ar As Double　　a = Val(Text1.Text)　　b = Val(Text2.Text)　　c = Val(Text3.Text)　　d = Val(Text4.Text)　　e

31、= Val(Text5.Text)　　g = Val(Text6.Text)　　If Option1.Value = True Then　　fv = 4 / a * 1000　　ElseIf Option2.Value = True Then<

32、;p>　　fv = (a / (b * (a - b))) * 1000　　ElseIf Option3.Value = True Then　　ar = 2 * c * g + e * (d - 2 * g)　　fv = ((2 * d + 4 * c - 2 * e) / ar) * 1000</p

33、>　　End If　　Text7.Text = Round(fv, 1)　　End Sub　　Private Sub Command2_Click()　　Text1.T

34、ext = ""　　Text2.Text = ""　　Text3.Text = ""　　Text4.Text = ""　　Text5.Text = ""

35、　　Text6.Text = ""　　Text7.Text = ""　　End Sub　　Private Sub Command3_Click()　　Un

36、load Me　　End Sub　　Private Sub Command4_Click()　　Dim fv, di, db, ts, x, y As Single　　fv = Val(Text7.Text)<

37、;/p>　　Do　　re: di = di + 0.0002　　db = 0.116 * fv / di　　db = Format(db, "#.00")　　ts = (Sqr(0.

38、044 + 0.00005 * db) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20　　Loop Until ts < 600　　Text9.Text = Str(Format((1000 * di), "#.0"))　　y = 0.116 * fv / (Val(Text9.Te

39、xt) / 1000)　　x = (Sqr(0.044 + 0.00005 * y) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20　　Text10.Text = Round(x, 0)　　Text17.Text = Round(y, 2)　　Const i As S

40、ingle = 400, c As Single = 1047, j As Single = 7850, s As Single = 600　　Dim n As Single　　n = (i * c * (Val(Text10.Text) / 1000)) / (s * j)　　If n < 0.5 The

41、n　　Text11.Text = "是"　　Else　　Text11.Text = "否"　　End If　　If

42、 Option4.Value = True Then　　Text12.Text = "0.343012,#.#######"　　ElseIf Option5.Value = True Then　　Text12.Text = "0.24993,#.#######"</p

43、>　　ElseIf Option6.Value = True Then　　Text12.Text = "0.445229,#.#######"　　ElseIf Option7.Value = True Then　　Text12.Text = "0.2930

44、73,#.#######"　　ElseIf Option8.Value = True Then　　Text12.Text = "0.512012,#.#######"　　ElseIf Option9.Value = True Then　　Te

45、xt12.Text = "0.956623,#.#######"　　ElseIf Option10.Value = True Then　　Text12.Text = "0.948998,#.#######"　　ElseIf Option11.Value = True The

46、n　　Text12.Text = "0.946771,#.#######"　　ElseIf Option12.Value = True Then　　Text12.Text = "0.954629,#.#######"

47、;　　End If　　Dim z As Single, t As Single　　z = Val(Text12.Text)　　t = z * 0.593　　Text13.Text = Format(t, "0.0000")</

48、p>　　Dim m, f, d, tz, dz As Single　　d = Val(Text9.Text)　　f = Val(Text7.Text)　　dz = 0.116 * f / (d / 1000)　　tz = (Sqr(0.044

49、+ 0.00005 * dz) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20　　m = 1.24 * 0.00000001 * (tz) ^ 3 - 2.096 * 0.00001 * (tz) ^ 2 + 9.228 * 0.001 * tz - 0.2168　　Text14.Text = Format(m, "0.0000"

50、)　　If Val(Text13.Text) < 1.1 * m Then　　Text15.Text = "是"　　Text16.Text = Format(Val(Text9.Text) + Val(Text9.Text) * 0.3, "0.0")</p&g

51、t;　　Else　　Text15.Text = "否"　　Text16.Text = ""　　GoTo re　　En

52、d If　　End Sub　　Private Sub Command5_Click()　　Text9.Text = ""　　Text10.Text = ""

53、;　　Text11.Text = ""　　Text12.Text = ""　　Text13.Text = ""　　Text14.Text = ""　　Text15.Tex

54、t = ""　　Text16.Text = ""　　Text17.Text = ""　　End Sub　　Private Sub Form_Load()

55、　　Label1.Left = 3000　　Text1.Left = 4200　　End Sub　　Private Sub Option1_Click()　　Label1.Visible = True</p&

56、gt;　　Label2.Visible = False　　Label3.Visible = False　　Label4.Visible = False　　Label5.Visible = False　　Label6.Visible = False&l

57、t;/p>　　Text1.Visible = True　　Text2.Visible = False　　Text3.Visible = False　　Text4.Visible = False　　Text5.Visible = False<

58、;/p>　　Text6.Visible = False　　Option4.Visible = True　　Option5.Visible = True　　Option6.Visible = False　　Option7.Visible = Fa

59、lse　　Option8.Visible = False　　Option9.Visible = False　　Option10.Visible = False　　Option11.Visible = False　　Option12

60、.Visible = False　　Label1.Left = 3000　　Text1.Left = 4200　　Text1.Text = ""　　End Sub　　Pri

61、vate Sub Option2_Click()　　Label1.Visible = True　　Label2.Visible = True　　Label3.Visible = False　　Label4.Visible = False<p&

62、gt;　　Label5.Visible = False　　Label6.Visible = False　　Text1.Visible = True　　Text2.Visible = True　　Text3.Visible = False<p&

63、gt;　　Text4.Visible = False　　Text5.Visible = False　　Text6.Visible = False　　Option4.Visible = False　　Option5.Visible = False&l

64、t;p>　　Option6.Visible = True　　Option7.Visible = True　　Option8.Visible = True　　Option9.Visible = False　　Option10.Visible = False</p

65、>　　Option11.Visible = False　　Option12.Visible = False　　Label1.Left = 1800　　Text1.Left = 3000　　Text1.Text = ""<

66、;/p>　　End Sub　　Private Sub Option3_Click()　　Label1.Visible = False　　Label2.Visible = False　　Label3.Visi

67、ble = True　　Label4.Visible = True　　Label5.Visible = True　　Label6.Visible = True　　Text1.Visible = False　　Text2.Visib

68、le = False　　Text3.Visible = True　　Text4.Visible = True　　Text5.Visible = True　　Text6.Visible = True　　Option4.Visible

69、 = False　　Option5.Visible = False　　Option6.Visible = False　　Option7.Visible = False　　Option8.Visible = False　　Optio

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