现代钢结构抗火设计方法_李国强

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有效约束 ,拉 杆表面包裹 40 mm 厚的陶 瓷棉加以 绝 缘 ,使拉杆的热膨胀小于钢梁的热膨胀 ,从而对钢梁提 供约束。
图 2 钢梁跨度及截面尺寸
钢梁的外表敷涂 SJ-2型防火涂料 (λ= 0. 162 W / m K) ,涂料厚度 15 m m。钢梁上采用 4点加载 ,如图 3所 示。 钢梁在试验炉内按 ISO-834标准升温曲线升温 ,经 实测得到梁和拉杆的平均温度及轴向平均变形、梁的挠 度与升温时间的关系曲线 ,如图 4、图 5、图 6所示。
( 1)采用确定的防火措施 ,设定一定的防火被覆厚 度;
( 2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件 下的内部温度 ;
( 3)采用确定高温下钢的材料参数 ,计算结构中该 构件在外荷载和温度作用下的内力 ;
( 4)进行荷载效应组合 ; ( 5)根据构件和受载的类型 ,进行构件抗火承载力 极限状态验算 ; ( 6) 当设定的防火被覆厚度不合适时 (过 小或过 大 ) ,可调整防火被覆厚度 ,重复上述步骤。 3. 2 火灾下钢构件的内部温度 火灾下为满足结构耐火极限要求 , 一般需对钢构
hyNT A+ hUb tTMWxx≤ZTVR f
… … ( 8b)
式中: N , Mx —— 分别为火灾下偏心受压构件轴力和
最大弯矩设计值 ;
Um ,Ut —— 等效弯矩系数 ,根据现行钢结构设计
规范有关规定确定 ;
hx T , hy T— — 分别为高温下弯矩作用平面内及平
面外轴压构件整体稳定系数 ;
能恢复周期 ,减少间接经济损失。
1 火灾对钢结构的危害 钢材虽为非燃烧材 料 ,但钢不耐火 ,温度 400 °C
时 ,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半 ,温度达 到 600°C时 ,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此 ,当 建筑采用无防火保护措施的钢结构时 ,一旦发生火灾 , 结构很容易遭到破坏。 例如 [1 ] , 1967年美国蒙哥马利 市某饭店发生火灾 ,钢结构屋顶被烧塌 ; 1970年美国 纽约第一贸易办公大楼 ( 50层 )发生火灾 ,楼盖钢梁被 烧扭曲 10 cm 左右 ; 1990年英国一幢多层钢结构建筑 在施工阶段发生火灾 ,造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的 严重破坏 ; 1993年我国福建省泉州市一座钢结构冷库 发生火灾 ,造成 3 600 m2 的库房倒塌 ; 1996年江苏省 昆山市一轻钢结构厂房发生火灾 , 4 320 m2 的厂房烧 塌 ; 1998年北京市某家具城发生火灾 ,造成该建筑 (钢 结构 )整体倒塌。 从以上的火灾案例可以看出 ,火灾对 钢结构的建筑有较大的危害。 2 钢结构抗火设计的目标与意义
ds —— 钢材的密度 , kg /m3 ;
V —— 单位长度构件的体积 , m3 /m;
ci —— 保护层的比热 , J/ ( kg· K ) ;
di —— 保护层的密度 , kg /m3;
Fi—— 单位构件长度的保护层内表面积 , m2 /m;
di —— 保护层厚度 , m;
λi —— 保护层的导热系数 , W / ( m· K )。
消防科学与技术 2002年 1月第 1期
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( 2)受弯构件 [6 ]
Mx hb TW
≤
x
ZTVR
f
…… ( 7)
式中: Mx—— 火灾下梁的最大弯矩设计值 ;
Wx—— 绕 x 轴的毛截面抵抗矩 ;
hb T —— 高温下钢梁的整体稳定系数: hb T= Tbhb
Tb —— 系数 ,按下式确定
Tb= 1. 150+ 0. 154sin( 4T6S0π- 0. 46π)
消防科学与技术 2002年 1月第 1期
件进行防火保护。 目前的主要防火措施为包覆防火涂 料或防火板。由于钢材导热性好 ,采取防火保护的钢构
件的内部温度可假定为均匀分布 ,再由火灾环境传入
钢构件的热量应等于钢构件升温所吸收的热量 ,可建 立火灾条件下钢构件升温微分方程。 求解该方程并加 以近似简化 ,可得标准火灾升温条件下 ,钢构件的内部 温度 T S (°C)随火灾发生后时间 t ( s)变化的计算公式:
3. 3 高温下钢材的材料参数
对钢构件抗火承载力极限状态有重要影响的高温 钢材材料参数主要为屈服强度与弹性模量。研究表明 , 不同钢材的高温材料参数值会有较大差别 [ 11] [ 12] ,建议
对各种钢材专门研究其高温材料参数 ,以用于由其做 成构件的抗火计算。
以下仅介绍欧洲钢结构协会推荐的钢材高温材料 参数计算公式 [2 ]:
* 本文为《′2001上海钢结构防火技术国际研讨会》优秀论文。
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注: E T、 E — — 高温和常温下钢材的弹性模量 f yT、 f y— — 高温和常温下钢材的屈服强度 图 1 fyT / f y、ET /E 随温度的变化
3 基于计算的现代钢结构抗火设计方法 3. 1 基本思想与方法
基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的 基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题 ,目前 已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。 这种钢结构 的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐 火极限判断 ,考虑温度内力的影响 ,在我国第一部钢结 构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》 [3 ]中即 采纳了这种方法 ,其计算过程如下:
消防理论研究
现代钢结构抗火设计方法*
李国强 (同济大学土木工程学院 , 上海 200092)
摘 要: 文章 论述了 火灾对 钢结构 的危 害和钢 结构 抗火
设计 的目标与 意义 ,基于高 温承载力 极限状 态验算 的思想 ,文 章阐述了现代钢结 构抗火计算与设计 方法 ,并通 过试验验证了 这一方法的科学性、合理性与有效性。
( 0°C < TS≤ 500°C)
Tb = 1. 292- 0. 625 2× 10- 4 ( TS - 500) 2
( 500°C < TS≤ 600°C)
T S —— 钢梁的平均温度 ;
hb —— 常温下对应长细比和截面类型的钢梁的
整体稳定系数 ,根据现行钢结构设计规
范有关规定确定。
当 hb T> 0. 6时 ,按下式将 hb T修正为 h′b T
h′b T= 1. 1- 0. 464 6 /hbT+ 0. 126 9 /hb1.T5
( 3)偏心受压构件 [7 ]
hxNT A+
Um Mx Vx W x ( 1- 0. 8N
/N EXT )≤ZTVR f
… … ( 8a)
表 1 ISO 834标准升温曲线温度时间关系
时间
min 0
温度 Tg - T0 °C 0
5 10 15 30 60 90 120 180 240 360 556 659 718 821 925 986 1 0291 0901 1331 193
进行结构抗火设计具有如下意义 [1 ]: ( 1)减轻结构在火灾中的破坏 ,避免结构在火灾中
TS ( t ) = ( 0. 044+ 5. 0× 10- 5 B - 0. 2) t+ TSO
…… ( 1)
式中: TS —— 钢构件的内部温度 ,°C;
TSO—— 火灾前构件的初始温度 ,一般取 20°C。
B=
1+
1 cidi
· Fi
2csds V
λi Fi di V
…… ( 2)
式中: cs —— 钢材的比热 , J/( kg· K) ;
下结构抗火设计的荷载效应组合式 [ 3]:
S= VGCGGk+ ΢VQi CQi Qik+ VW CW Wk+ VFCF (Δ T ) i
式中: S —— 荷载组合效应 ; Gk —— 永久荷载标准值 ;
…… ( 5)
Qik —— 楼面或屋面活载 (不考虑屋面雪载 ) 标 准值 ;
Wk —— 风载标准值 ;
表 2 系数 α的确定
构件长细比
≤ 50 100 150
≥ 200
构 件 温 度 °C
200 300 400 500 550 570 580 600 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 1. 00 0. 96 1. 04 1. 08 1. 12 1. 12 1. 05 1. 00 0. 97 0. 85 1. 08 1. 14 1. 21 1. 21 1. 11 1. 00 0. 94 0. 74 1. 10 1. 17 1. 25 1. 25 1. 13 1. 00 0. 93 0. 68
f yT fy
=
1+
TS
767l n( 1T7S50)
(
T S≤
600°C) …
…
(
3)
ET E
=
-
1 7.
2× 10- 12 T4S+
11. 8× 10- 9 T3S -
34. 5×
10- 7 T2S+ 15. 9× 10- 5 TS+ 1 ( T S≤ 600°C)
…… ( 4)
式中: f y T、 f y—— 分别为高温和常温下钢材的屈服强
关键词: 钢结构 ; 耐火极限 ; 抗火设计 中图分类号: T U39 文献标识码: A 文章编号: 1009- 0029( 2002) 01- 0008- 04
局部倒塌造成灭火及人员疏散困难 ; ( 2)避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡 ; ( 3)减少火灾后结构的修复费用 ,缩短灾后结构功
N hT·
A≤ZTVR f
…… ( 6)
式中: N — — 火灾下构件所受的轴压力设计值 ;
A — — 柱的毛截面面积 ;
hT — — 高温下轴心受压构件的稳定系数: hT=
T· h; T — — 系数 ,根据构 件的长细 比和温 度按表 2