第五節建筑結構耐火性能分析

本節介紹了主要的建筑結構形式以及各種建筑結構耐火性能的特點、影響建筑結構耐火性能的主要因素、火災下建筑結構及構件極限狀態的定義、建筑結構耐火時間計算模型的選取方法及計算步驟、鋼結構和混凝土結構的耐火時間計算方法、整體結構耐火時間計算的方法和步驟等。

一、影響建筑結構耐火性能的因素

(一)結構類型

1.鋼結構

鋼結構是由鋼材制作結構，包括鋼框架結構、鋼網架結構和鋼網殼結構、大跨交叉梁系結構。鋼結構具有施工機械化程度高、抗震性能好等優點，但鋼結構的最大缺點是耐火性能較差，需要采取涂覆鋼結構防火涂料等防火措施才能耐受一定規模的火災。在高大空間等鋼結構建筑中，在進行鋼結構耐火性能分析的基礎上，如果火災下鋼結構周圍的溫度較低，并能保持結構安全時，鋼結構可不必采取防火措施。

2.鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構是在混凝土配置鋼筋形成的結構，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔荷載。當建筑結構耐火重要性較高，火災荷載較大、人員密度較大或建筑結構受力復雜的場合時，鋼筋混凝土結構的耐火能力也可能不滿足要求。這時，需要進行鋼筋混凝土結構及構件的耐火性能評估，確定結構的耐火性能是否滿足要求。

3.鋼-混凝土組合結構

(1)型鋼混凝土結構。型鋼混凝土結構是將型鋼埋入鋼筋混凝土結構形成一種組合結構，截面形式如圖5-4-15所示。適合大跨、重載結構。由于型鋼被混凝土包裹，火災下鋼材的溫度較低，型鋼混凝土結構的耐火性能較好。

(2)鋼管混凝土結構。鋼管混凝土結構是由鋼和混凝土兩種材料組成的，它充分發揮了鋼和混凝土兩種材料的優點，具有承載能力高、延性好等優點。鋼管混凝土結構中，由于混凝土的存在可降低鋼管的溫度，鋼管的溫度比沒有混凝土時要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結構中的鋼管需要進行防火保護。

(二)荷載比

荷載比為結構所承擔的荷載與其極限荷載的比值。火災下，結構承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強度降低，構件的承載能力降低。當構件的荷載達到極限荷載，構件就達到了火災下的承載能力，構件就達到了耐火極限狀態，開始倒塌破壞，這時的耐火時間為耐火極限。荷載比越大，構件的耐火極限越小，荷載比是影響結構及構件耐火性能的主要因素之一。

(三)火災規模

火災規模包括火災溫度和火災持續時間。火災高溫是構件升溫的源泉，它通過對流和輻射兩種傳熱方式將熱量從建筑內空氣向構件傳遞。作為構件升溫的驅動者，火災規模對構件溫度場有明顯的影響。當火災高溫持續時間較長時，構件的升溫也較高。

(四)結構及構件溫度場

溫度越高，材料性能劣化越嚴重，結構及構件的溫度場是影響其耐火性能的主要因素之一。材料的熱工性能直接影響構件的升溫快慢，從而決定了火災下結構及構件的溫度場分布。

二、結構耐火性能分析的目的及判定標準

結構耐火性能分析的目的就是驗算結構和構件的耐火性能是否滿足現行規范要求。結構的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗算結構和構件的耐火極限是否滿足規范的要求;第二種即在規范規定的耐火極限時的火災溫度場作用下，結構和構件的承載能力是否大于荷載效應組合。這兩種方法是等效的。

(一)耐火極限要求

構件的耐火極限要求應符合《建筑設計防火規范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規范》GB50045及其他相關國家標準的要求一致。

(二)構件抗火極限狀態設計要求

《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提出了基于計算的結構及構件抗火驗算方法。火災發生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災下結構的驗算標準可放寬。根據《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)，火災下只進行整體結構或構件的承載能力極限狀態的驗算，不需要正常使用極限狀態的驗算。構件的承載能力極限狀態包括以下幾種情況：

①軸心受力構件截面屈服;

②受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構;

③構件整體喪失穩定;

④構件達到不適于繼續承載的變形。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

三、計算分析模型

抗火驗算時建筑結構耐火性能計算(一般也可稱為抗火驗算)一般有三種方法：第一種采取整體結構的計算模型;第二種采取子結構的計算模型;第三種采取單一構件計算模型。《建筑鋼結構防火技術規范》(CECS200:2006)和廣東省地方標準《建筑混凝土結構耐火設計技術規程》(DBJ/T 15-81-2011)規定，對于高度大于100m的高層建筑結構宜采用整體計算模型進行結構的抗火計算，單層和多層建筑結構可只進行構件的抗火驗算。

實際建筑結構中，構件總是和其他構件相互作用，獨立構件是不存在的。因此，研究構件的耐火性能需要考慮構件的邊界條件。歐洲規范規定，進行構件耐火性能分析時，構件的邊界條件可取受火前的邊界條件，并在受火過程中保持不變。

整體結構耐火性能評估模型是一種高度非線性分析，計算難度較高，需要專門機構和專業人員完成。

四、建筑結構耐火性能分析的內容和步驟

建筑結構耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結構的安全性分析。建筑火災模型和建筑材料的熱工參數是進行結構溫度場分析的基礎資料。同樣，高溫下建筑材料的力學性能是建筑結構高溫下安全性分析的基礎資料。同時，進行建筑結構高溫下安全性分析還需要確定火災時的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進行高溫下結構的抗火驗算了。

(一)結構溫度場分析

確定建筑火災溫度場需要火災模型。我國《建筑設計防火規范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規范》GB50045均提出可采用ISO834標準升溫曲線作為一般建筑室內火災的火災模型。《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提出可采用參數化模型作為一般室內火災的火災模型，同時也提出了大空間室內火災的火災模型。由于建筑室內可燃物數量和分布、建筑空間大小及通風形式等因素對建筑火災有較大影響，為了更加準確的確定火災溫度場，也可采用火災模擬軟件對建筑火災進行數值模擬。

確定火災模型之后，即可對建筑結構及構件進行傳熱分析，確定火災作用下建筑結構及構件的溫度。進行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國內外對鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能進行了大量的研究。在進行構件溫度場分布的分析時涉及到的材料熱工性能有3項，即導熱系數、質量熱容和質量密度，其他的參數可以由這3項推導出。

1.鋼材

《鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提供的高溫下鋼材的有關熱工參數見表5-4-11。

表5-4-11 高溫下鋼材的物理參數

2.混凝土

《鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提供的高溫下普通混凝土的有關熱工參數可按下述規定取值。

(二)材料的高溫性能

1.混凝土

2.鋼材

高溫下鋼材的熱膨脹系數可取1.4×10-5m/℃。

(三)火災極限狀態下荷載效應組合

《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)規定，火災作用工況是一種偶然荷載工況，可按偶然設計狀況的作用效應組合

(四)結構構件抗火驗算基本規定

1.耐火極限要求

構件的耐火極限要求與《建筑設計防火規范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規范》GB50045及其他國家標準的要求一致。

2.構件抗火極限狀態設計要求

《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提出了基于計算的構件抗火計算方法。火災發生的概率很小，是一種耦合荷載工況。因此，火災下結構的驗算標準可放寬。根據《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)，火災下只進行整體結構或構件的承載能力極限狀態的驗算，不需要正常使用極限狀態的驗算。構件的承載能力極限狀態包括以下幾種情況：

①軸心受力構件截面屈服;

②受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構;

③構件整體喪失穩定;

④構件達到不適于繼續承載的變形。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

基于承載能力極限狀態的要求，鋼構件抗火設計應滿足下列要求之一：

①在規定的結構耐火極限時間內，結構或構件的承載力Rd不應小于各種作用所產生的組合效應Sm，

②在各種荷載效應組合下，結構或構件的耐火時間td不應小于規定的結構或構件的耐火極限tm，

③結構或構件的臨界溫度Td不應低于在耐火極限時間內結構或構件的最高溫度Tm，

對鋼結構來說，上述三條標準是等效的。由于鋼構件溫度分布較為均勻，因此，鋼結構構件驗算時采用上述第③條的最高溫度標準，混凝土構件可采用前面兩條標準。

3.構件抗火驗算步驟

采用承載力法進行單層和多高層建筑鋼結構各構件抗火驗算時，其驗算步驟為：

①設定防火被覆厚度。

②計算構件在要求的耐火極限下的內部溫度。

③計算結構構件在外荷載作用下的內力。

④進行荷載效應組合。

⑤根據構件和受載的類型，進行構件抗火承載力極限狀態驗算。

⑥當設定的防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，可調整防火被覆厚度，重復上述①～⑤步驟。

采用承載力法進行單層和多高層混凝土結構各構件抗火驗算時，其驗算步驟為：

①計算構件在要求的耐火極限下的內部溫度。

②計算結構構件在外荷載作用下的內力。

③進行荷載效應組合。

④根據構件和受載的類型，進行構件抗火承載力極限狀態驗算。

⑤當設定的截面大小及保護層厚度不合適時(過小或過大)，可調整截面大小及保護層厚度，重復上述①～④步驟。

4.鋼結構構件抗火驗算

這里只介紹基于高溫下承載能力驗算的方法，火災下鋼構件的驗算還有極限溫度計算方法，讀者可參考其他資料。

5.鋼筋混凝土構件抗火驗算

目前，尚沒有國家標準提出鋼筋混凝土構件的抗火驗算方法，鋼筋混凝土構件的抗火驗算一般依據通用的非線性有限元方法進行計算。

6.整體結構抗火驗算

(1)整體結構抗火極限狀態整體結構的承載能力極限狀態為：

①結構產生足夠的塑性鉸形成可變機構;

②結構整體喪失穩定。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

(2)整體結構抗火驗算原理。上節給出的規范抗火設計方法是基于計算的抗火設計方法，要求結構的設計內力組合小于結構或構件的抗力。火災高溫作用下，結構的材料力學性質發生較大變化。基于防火設計性能化的要求，對于一些復雜、重要性高的建筑結構，需要考慮高溫下材料本構關系的變化、結構的內力重分布、整體結構的倒塌破壞過程，這就需要對火災下建筑結構的行為進行準確確定。對火災下建筑結構的內力重分布、結構極限狀態及耐火極限的確定，需要采用基于性能的結構耐火性能計算方法。整體結構耐火性能計算方法需要采用非線性有限元方法完成。

整體結構耐火性能計算的一般步驟為：

①確定材料熱工性能及高溫下材料的本構關系和熱膨脹系數;

②確定火災升溫曲線及火災場景;

③建立建筑結構傳熱分析和結構分析有限元模型;

④進行結構傳熱分析;

⑤將按照火災極限狀態的組合荷載施加到結構分析有限元模型，進行結構力學性能非線性分析;

⑥確定建筑結構整體的火災安全性;

⑦按照上節要求進行構件的驗算。

(3)鋼結構及鋼筋混凝土結構整體結構抗火驗算的具體步驟。

對單層和多高層建筑鋼結構整體抗火驗算時，其驗算步驟為：

①設定結構所有構件一定的防火被覆厚度;

②確定一定的火災場景;

③進行火災溫度場分析及結構構件內部溫度分析;

④荷載作用下，分析結構整體和構件是否滿足結構耐火極限狀態的要求;

⑤當設定的結構防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，調整防火被覆厚度，重復上述①～④步驟。

對單層和多高層鋼筋混凝土結構整體抗火驗算時，可采用如下步驟：

①確定一定的火災場景;

②進行火災溫度場分析及結構構件內部溫度分析;

③荷載作用下，分析結構整體和構件是否滿足結構耐火極限狀態的要求;

④當整體結構和構件承載力不滿足要求時，調整截面大小及其配筋，重復上述①～③步驟。

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