高層鋼結構建筑抗火設計探析

1、<p>　　高層鋼結構建筑抗火設計探析</p><p>　　摘要：本文介紹了鋼結構建筑的特點，對火災下鋼結構的破環(huán)機理進行了分析，并對當前鋼結構建筑抗火設計方法進行了介紹。最后，本文提出一些改善鋼結構抗火性能的方法，為相關設計人員提供參考。 </p><p>　　關鍵詞：鋼結構建筑；抗火；承載力，設計方法 </p><p>　　中圖分類號：TU391 文獻

2、標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　1.前言 </b></p><p>　　鋼結構憑借其自重輕，強度高，塑性韌性好，建筑平面布置靈活，面積利用率高等突出優(yōu)點在工程實際中得到廣泛應用。相關資料統(tǒng)計表明，我國建成的超高層建筑中鋼結構建筑占到37%，然而鋼結構建筑具有一個不可忽視的缺陷，即耐火性差。鋼材常溫下為非燃燒材料，但耐火性較差，在高溫下，鋼結構的

3、強度和剛度迅速降低。研究表明，當溫度達到350℃、500℃、600℃時候，鋼結構的強度分別降低1/3、1/2、2/3。溫度達到600℃以上的時候，鋼結構則完全喪失承載力。因此在火災中若鋼結構沒有采取防火措施，鋼結構建筑極容易發(fā)生破壞，鋼結構建筑抗火能力直接影響鋼結構的使用安全。因此，對鋼結構建筑做好抗火設計十分重要。 </p><p>　　2. 火災下鋼結構建筑破壞機理 </p><p>

4、　　《建筑設計防火規(guī)范》根據(jù)建筑使用功能及火災危害等級等指標將建筑的耐火等級劃分為一級、二級、三級、四級，一級要求最高，其余依次降低。鋼結構建筑的耐火極限是指鋼結構構件在標準耐火試驗中從受到火作用開始到失去穩(wěn)定或者完整性或絕熱為止，抵抗火災作用的時間用小時來表示。 </p><p>　　火產(chǎn)生的熱量是以輻射和對流的形式傳遞給結構的，鋼結構建筑由于導熱系數(shù)較大，火災產(chǎn)生的熱量可以很快的傳遞到內部。再加上鋼結構構件大

5、都為薄壁結構，表面溫度及內部溫度相差不大，因此鋼結構構件溫度分布可以看做是均勻分布。鋼結構由于導熱性能好，當火災作用的時候鋼結構表面和內部的溫度降急劇升高，構件將產(chǎn)生膨脹并伴隨著強度下降，同時，鋼結構在高溫下還會發(fā)生很大的塑性變形，造成整個鋼結構建筑局部破壞，最終造成整個結構整體破壞。 </p><p>　　3.鋼結構抗火設計方法 </p><p>　　3.1 實驗的抗火設計方法 <

6、/p><p>　　傳統(tǒng)確定建筑結構的耐火時間是通過時間來確定的。通常實驗室確定鋼結構的耐火時間是將構件從結構中隔離出來，通過施加一定的荷載并按某一升溫曲線加溫來確定構件的耐火時間。這種確定方法存在很多問題，第一，實際構件的受力不相同，實驗難以全部概括；第二，構件在結構的端部約束難以在實驗中模擬；第三，對構件施加的溫度曲線在試驗中也難以真實反映。 </p><p>　　3.2 計算的抗火設計方法

7、 </p><p>　　基于計算的鋼結構抗火設計方法可以避免傳統(tǒng)的實驗設計方法，現(xiàn)階段是各國普通采用的設計方法。這種設計方法以高溫下鋼結構構件的承載力極限狀態(tài)為耐火極限，并在這其中考慮溫度應力的影響?！朵摻Y構防火技術規(guī)程》是我國第一部鋼結構防火技術規(guī)范，在這規(guī)范中就采用這種設計方法，計算的抗火設計方法思想和方法為： </p><p>　?。?）確定防火措施，設計一定的防火覆蓋厚度； <

8、;/p><p>　?。?）在確定防火措施下計算構件的耐火極限及內部溫度； </p><p>　?。?）確定高溫下材料參數(shù)，計算構件在確定的防火措施下外荷載和高溫作用下的內力； </p><p>　?。?）進行荷載組合效應計算，計算公式如下：式中各參數(shù)詳細見《鋼結構防火技術規(guī)程》說明。 </p><p>　?。?）根據(jù)鋼結構類型及其受荷類型，進行構

9、件的抗火承載力極限狀態(tài)驗算保證規(guī)范要求S≤R.S為結構的荷載，R為結構在防火措施下，內部溫度確定的結構抗力。 </p><p>　　（6）當設計的防火覆蓋厚度不合算，適當調整厚度，再重復以上計算步驟。 </p><p>　　3.3 抗火設計的發(fā)展趨勢 </p><p>　?。?）現(xiàn)行的抗火設計方式是采用計算的構件的設計方法，缺乏結構的抗火設計。該方法是以整體結構的承

10、載力做為極限狀態(tài)進行抗火設計，然而在火災下，鋼結構建筑單個構件的破壞，并不意味著結構整體的破壞，鋼結構建筑在火災下少數(shù)構件發(fā)生破壞會引起結構的整體內力重新分布，結構仍然具有一定的承載能力。（2）結構的抗火概率可靠度設計方法必須考慮火災和空氣升溫的隨機性。（3）鋼結構在溫度及荷載共同作用下破壞的機理及承載力的計算方法還需研究。（4）火災下，結構的荷載分布統(tǒng)計還比較匱乏。 </p><p>　　4.鋼結構防火構造措施

11、 </p><p><b>　　4.1 鋼材材料 </b></p><p>　　采用耐火的鋼材。通過現(xiàn)有的技術，給鋼材增加一定的特殊的成分，改變鋼結構的組成成分，改善鋼材的耐火性。目前我國多家鋼鐵企業(yè)已經(jīng)成功的開發(fā)了鋼結構建筑耐火耐候性鋼，為鋼結構建筑提供了良好的用材。 </p><p>　　4.2 抗火性強的結構形式 </p>

12、<p>　　由于鋼筋混凝土剪力墻或者筒體結構具有良好的耐火性能，因此鋼結構建筑中宜采用這種抗側力構件。由于鋼管混凝土結構抗火性能好，提倡在鋼結構建筑中使用；樓板是鋼結構上下層和防火分區(qū)間的分隔構件，耐火性要求比較高；樓梯時鋼結構建筑中的重要構件，宜采用鋼筋混凝土結構。 </p><p>　　4.3 維護和分隔構件 </p><p>　　鋼結構建筑的圍護及分隔構件如內外墻、屋面等可

13、以采用一些輕型復合型建筑材料，如加氣混凝土等。建議鋼結構建筑的內外墻及屋面應為非燃燒體，耐火等級宜達到二級耐火等級。 </p><p><b>　　5. 結語 </b></p><p>　　鋼結構建筑是二十一世紀建筑發(fā)展的趨勢，是未來高層發(fā)展的方向。隨著經(jīng)濟技術的發(fā)展，人們對鋼結構建筑的火災下的安全問題越來越重視，對火災的防范也越來越嚴格。作為設計人員應重視鋼結構的防

14、火問題，不斷的研究，探索新型的防火保護材料，充分發(fā)乎鋼結構的優(yōu)勢，使得鋼結構建筑能夠廣泛的得到應用。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 中華人民共和國國家標準，鋼結構設計規(guī)范(GB50017-2003)[S].北京:中國計劃出版社，2003 </p><p>　　[2] 中華人民共和國國家標準，建筑設