钢结构抗火设计方法的发展_李国强
从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的抗火性能
从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的抗火性能摘要：本文通过查阅相关文献，从火灾下钢材性能反应方面入手，了解火灾下钢结构的反应。
后结合火灾下钢结构反应分析与现有国内外研究内容，从而对如何提高钢结构的抗火性能的方法进行讨论，并提出自己的观点。
关键词：钢结构；火灾下；反应；抗火性能近年来随着经济的发展，大跨度、超高层建筑应运而生，促使钢结构的快速发展。
且随着随着房屋密度加大以及燃气、电器的普遍使用，建筑物发生火灾的可能性越来越大火灾给人类带来的危害是巨大的。
钢材为非燃烧材料，但钢耐火性能极差，因此，钢结构一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏甚至倒塌。
2001年“9.11”事件充分证明了这一点。
2001年世贸大厦被撞击后飞机携带大量的燃油向大厦底部流淌，火势迅速向下蔓延，燃烧不久，灼热的高温就通过钢结构迅速传遍整幢大楼，致使大厦承重的钢结构熔化，撞机仅57分钟南楼就彻底崩溃倒塌，而北楼也仅坚持了l小时22分钟，造成了死亡2797人、损失360亿美元的惊世惨案。
因此，了解钢结构在火灾下的反应从而提出提高钢结构的抗火性能的方法是非常有意义的。
1 火灾下钢结构的反应1.1 高温下钢材的反应在加热情况下，普通钢材的性能随着温度升高而变化。
钢材的性能分为物理性能和力学性能。
物理性能主要为膨胀系数、热传递系数、比热、密度等。
高温作用后钢材的物理性能除了密度，总体上都随着温度的升高而变大，而钢材的热膨胀对极限承载力影响不大但使结构或构件产生变形与附加应力。
而钢材的力学性能随温度升高，弹性模量、屈服强度、极限强度随着温度的升高而下降，塑性变形和蠕变随温度的升高而增加。
总体上随着温度变化为：在180℃～370℃温度期间内，钢材出现蓝脆现象，此时钢材的极限强度有所提高而塑性韧性降低，材料相对其他温度段比变脆；当温度超过400℃后，钢材的强度与弹性模量开始急剧下降；在500℃时，钢的极限强度和屈服强度极限大大降低；当温度为600℃时EC3指出钢材的名誉屈服强度及极限强度分别为为常温下的0.47及0.36；650℃以后基本丧失其承载力，造成钢结构建筑物部分或全部垮塌毁坏。
高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施
高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施摘要：近几年，随着城市化的深入，城市可供使用的土地日益减少，导致了城市高层和超高层建筑的迅速发展。
同时，钢结构也广泛应用于高层和超高层建筑，在建筑中的地位日益突出。
介绍了高层建筑钢结构防火设计的基本思路，以及高层钢结构的施工特点，并对其防火风险进行了分析。
关键词：钢结构；抗火设计；防火措施；1.高层钢结构的建筑特点1.1预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短钢构构件的模数协调统一规范，使其达到工业化、规模化，使不同材料、形状和工艺的建筑构件之间具有某种共性和可互换性。
同时，预工程钢结构的施工也使得材料的加工与安装成为一体，从而大大减少了施工费用；同时也可以加速工程进度，将工程进度减少40%，这样可以加速开发商的资金周转，使大楼提前交付。
1.2建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化钢结构建筑的意象组成是一个非常关键的要素，其形态、要素、节点都是影响和限制建筑物形象的重要因素。
只有将建筑和结构的设计和功能结合起来，才能让建筑更加具有功能性，从而在后续的设计中继续进行，从而形成一种技术和艺术相结合的钢结构建筑。
1.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求钢的结构是均匀的，具有较高的强度和较高的弹性模量。
它的密度和强度之比比水泥、混凝土、木头要小得多，在相同的荷载下，钢结构的重量相对较轻，因此可以制成大跨度、高、结构形式。
目前，人类已经能够建造1000多米长的巨型圆顶，以及1000多米高到4000多米的超高层建筑。
同时，索膜结构与钢索组合而成的索膜结构更能满足建筑物的跨径需求，从而使其成为一种具有代表性的建筑物。
1.4原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展由于中国是全球最大的砖混结构和混凝土结构国家，因此，发展钢铁结构对于资源和能源都十分匮乏的国家具有重要的意义。
钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再回收的利用价值，边角料也有价值，而且不需要制模施工。
钢结构抗火设计方法的发展
钢结构抗火设计方法的发展作者：康利慧来源：《装饰装修天地》2016年第01期摘要：钢结构以它独特的优点，在各类建筑场合都有非常广泛的应用。
由于钢结构耐火性差的特点，一旦发生火灾往往都会导致建筑结构失去完整性，而且稳定性急剧下降。
因此，必须加强钢结构防火保护，提高构件耐火极限。
本文对钢结构抗火设计方法的发展进行了探讨。
关键词：钢结构；抗火设计；方法；发展钢结构的建筑不但丰富了建筑结构的形式，而且还为人们提供大量丰富多彩的建筑类型，就会给人们一种美妙视觉效果。
同时，也为建筑的艺术发展提技术支撑。
目前，随着我国经济与技术的发展，人们对建筑的安全要求是越来越高了，对各种灾害防范工作也是日益重视，特别是火灾。
加强钢结构的建筑材料耐火的性能，就使钢结构的建筑材料自身阻止火灾的发生或者蔓延，这就是钢结构的防火保护研究与发展的重点。
一、钢结构建筑构件的耐火极限分析1.耐火极限的定义及规范国内外的建筑规范都对建筑的耐火性进行了等级划分，并对建筑构件的耐火和防火做出了规定。
而所谓的耐火极限，其实就是对建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火试验，而从其受到火的作用直到失去支持能力或失去隔热作用为止，经历的时间就为建筑构件的耐火极限。
按照国家的建筑构件耐火极限规范，对钢结构柱和梁的耐火极限考察就是对其在受火条件下的稳定性、完整性和隔热性进行试验。
首先，试件在稳定性试验中一旦发生垮塌或变形，其梁或板构件的最大挠度超过L / 20mm ，柱构件轴向变形大于h / 100mm，则表明该试件失去支持力。
其中， L 指的是梁跨，而h 为构件的初始受火高度。
其次，在完整性试验中，如果用于试验的棉垫被引燃或背火面串火达10s以上，或者背火面出现超过规定的裂缝，则试件失去了完整性。
再者，在隔热性试验中，如果背火面平均温度超过试件表面初始温度或单点最高温度达180℃，则试件失去绝热性。
2.构件耐火极限的确定由于不同的建筑的形式和功能不同，所以建筑的可燃烧性能、热值和分布等内容存在着一定的差异。
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
钢结构建筑防火性能探析
中国新技术新产品
一７ — １５
探讨钢结构 的防火性能 ， 提升钢结 构的 防 火能力 已经变成 当下—个迫在 眉睫 的问题 。 让 人们 在充 分利用 和享受 钢结 构带 来 的便 利 的 同时 ， 降低或减少 钢结构在火 灾发生 时可 能 也 产生 的严 重危 害 。同 时通 过社会 面 得广 泛关 注 ，使大 家能有效 的提高对钢结 构 的认 识 ， 了 解抵御钢 结构 防火 性能较差 的办法和 途径 ， 避 免钢 结构 在火 灾 中局 部或 者整 体倒 塌造 成 的 灾 害和人员疏散 的困难 以及 人员伤亡 ， 减少火 灾后 钢结构 的修 复费用 ， 灾后结构 功能恢 缩短
护。
３ 采用轻 质防火 板材作为 防火外包层 ． ２ 采用 纤维 增强 水 泥板 （ Ｔ 如 Ｋ板 、ｃ板 ） Ｆ 、 石膏板 、 酸 钙板 、 硅 蛭石 板 等非 燃材 料 的防火 板 将钢 构件包 裹起来 。 防火板在德 国、 本 、 １ 美 ３ 国 、 国等 国家 的钢结 构建筑 防火工程 中 已大 英 量应用 。 国 目前 在防火板 的生产 和应用上 尚 我 处于起 步阶段 。 ３ ． ３喷涂钢 结构 防火涂料
３ ． 钢构 件 四周 浇抹 混 凝 土或 砌筑 耐 １在
火 砖 采 用混 凝土或 耐火砖 将钢构件 （ 柱 ） 梁、 完
全 封 闭起 来 。其 钢梁 、 钢柱 的防火保护就 是在 钢构件 外面缠 绕钢 丝（ 增加粘 结力 ）然后 再浇 ， 抹 混凝 土 ， 混凝 土外墙 以队钢结构进 行保 形成
之增大 ， 在 ８０Ｃ ９０ 期 间 ， 在原有伸 但 ０￣～０￣ Ｃ 构件 长的基 础 上又 出现缩 短现 象 ； 度超 过 ９０Ｃ 温 ０￣ 时 ， 始膨胀这 一特性 。 因此 ， 保护 的 又开 未加 钢构 件一旦 遇火 ， 截面 温度迅 速 升高 ， 其 严重 影响到 钢结构安 全工作性 能。 ２ ． ２钢材 遇高温 的力学性 能 在火 灾 高温 的 环境 下 ，５ ￣是 影 响钢材 ２０Ｃ 力学 性 能 的 一个 分 界 点 。在 ２ ０ 的温 度 以 ５＇ ： Ｃ 下， 钢材的强度和弹性没有明显的变化 。超过 ， ２０ 时 ， ５￣ Ｃ 随着 温度 的升高 ， 钢材 自身 的抗压 强 度、 弹性 、 等力学性 能开始 发生变化 ， 出现迅速 下降趋 势 ， 生” 产 塑性流 动” 象 。当环境 温度 现 升高 至 ５ ０Ｃ 右 ， 失去稳 定 性 。从 实 际 ４ ｑ左 钢材 发生 的火灾事 故 当中发 现 ， 一般火场 中都 存在 大量 的高燃烧 性能 的物 质 ， 火场温度 常常可 以 到达 ８０ 至更 高 ， 露在 这样 的火 灾环 境 ０％甚 暴 中钢结构构件 ， 只要很短的时间 ， 便会失去其 自身强 度 ， 弹性 、 改变 ， 局部 的破 造成 塑性 产生 坏 ，对结构 的承载 能力 和完 整性 产生 巨大 影 响， 支撑 力散 失 ， 终造 成的 后果 是钢 结构 建 最 筑 的整体坍 塌。 ２ ． ３钢材遇 高温的热 导性能 钢材虽然不具有燃烧性能 ， 自身却又很 但 好的导热性 ， 是一种热导性好的固体构件 。钢 材遇高温时， 内部的热传导作用较快 ， 其 火焰、 高温烟气、 热空气通过热辐射迅速在其内部传 递 ， 热局 部 向整体传 播 ， 钢结 构 的整 从受 致使 体 受热 面积 增大 ， 持续 时间 越长 ， 对钢 结构 的
对钢结构抗火性能的认识
对钢结构抗火性能的认识火灾会给人类的生命和财产造成巨大的损失，火灾的类型有建筑火灾、工业生产设备火灾、森林火灾、交通工具火灾等，其中损害最大发生次数最多的就是建筑火灾，约占火灾的80%。
建筑火灾发生时，除了会烧毁设备并对人的生命有威胁外，而且还会造成结构的破坏。
随着我国经济水平的迅速提高，城市规模飞速发展，城市中的建筑物也快速向高层、超高层、多功能化和大规模化发展，并且钢结构建筑在近些年越来越受到企业及工厂的喜爱。
虽然钢材是非燃烧材料，但是钢材不耐火，当火灾发生时，如果温度升高到4000C，那么钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，如果温度继续升高，达到6000C时，钢材的强度和刚度基本会全部丧失。
因此，如果建筑采用无防火保护措施的钢结构，那么一旦发生火灾，结构就会短时间内遭到破坏，从而造成难以估量的损失。
所以为了尽量降低这种损失，近几年各专家学者都在对结构的抗火性能进行研究，并已取得了很好的成果，但是，也还存在许多问题亟待解决。
需要注意的是“抗”主要为“抵抗”的意思。
结构的功能即为抵抗各种环境作用，如抵抗重力、抵抗风荷载（即抗风）等。
火作为一种环境作用，结构同样要抵抗。
结构抗火一般通过对结构构件采取防火措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实现。
结构抗火设计意义十分重大，主要是能减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。
而进行建筑防火设计的目的则是：减小火灾发生的概率，减少火灾直接经济损失，避免或减少人员伤亡。
其实对钢结构抗火性能的研究最早是以简单的单个构件为研究对象开始研究的，研究方法包括试验研究和理论研究两种。
构件的抗火性能研究主要针对钢梁、钢柱、节点、楼板进行，对高温下钢梁、钢柱的结构受力、变形性能的分析主要基于常温下的钢构件受力、变形性能分析方法，采用高温下的结构材料特性进行分析。
高层钢结构防火问题
高层钢结构防火问题近年来，随着城市化进程的不断推进，城市可利用的空间也越来越小，从而推动了城市高层以及超高层建筑的高速发展，而钢结构在高层建筑以及超高层建筑中也得以大量采用，在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。
本文介绍了高层建筑钢结构抗火设计的基本方法与高层钢结构的建筑特点，阐述了钢结构建筑的火灾危险性。
标签：高层建筑钢结构;抗火设计;防火措施建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但在很长时间里运用的都是石材，木材等。
随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，其中钢材是其中普遍采用的一种。
而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，近年来，钢结构更加广泛应用于公共建筑中，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。
1.高层建筑钢结构抗火设计的基本方法结构抗火设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。
现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法：1.1基于试验的构件抗火设计方法。
基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。
我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。
但是该试验方法存在很多缺陷。
首先，耐火时间、耐火等级不易确定。
其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时间的影响很大。
1.2基于计算的构件抗火设计方法。
从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。
基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。
门式钢刚架结构实用抗火设计方法_李国强
图 2 构件变截面参数的定义
对于一般变截面门 式钢刚 架结 构 , 梁和 柱的 较大 的截面高度 h 1 相等 。为研究方便 , 假设梁和柱 的截面 高度 h2 相等(另外 的研 究表明 梁和柱 h 2 的 差异 对结 构抗火临界温度的影 响很小)。这样 通过定 义梁 的楔 率可以确定结 构所 有构件 的楔率 。 选取一 组结 构 , 其 梁楔率的变化分别为 0°(等截面), 0.5°, 1.0°, 1.5°。这
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高度 H , 梁的跨度 L , 梁的坡度 φ。
图 1 参数符号
1.荷载的影响 轻型建 筑门式 钢刚架结 构的高 度一般较 小 , 主要 承受竖向荷载 。相对 于竖向 荷载 , 结构的 水平 荷载很 小 , 竖向荷载起控制作用 。为了简化分析 , 只考虑竖向 荷载的作用 , 并认 为竖向 荷载为 均匀 分布 。不 同的结 构具有不同的荷载值 。为了使结构的荷载大小具有可 比性 , 定义结构的荷载参数 R 等 于结构实际 荷载与结 构弹性极限荷载的比值 。这样各种结构的荷载参数 R 都定义为 0 ～ 1.0 之间的值 。 选择一 门式钢 刚架结构 进行计 算 , 分析荷 载参数 对结构抗火临界温度的影响 。选定的门式钢刚架的其 它参数为 , 截面为等截面 :h =500mm , b =150mm , t f = 12mm , t w =8mm ;结构几何参数为 H = 4m , L =24m , φ=15°。结构抗火 临界 温度随 荷载 参数 R 的变 化关 系见表 1 。由表 1 可见 , 荷载参 数 R 对结 构抗 火临界 温度影响很大 。
组门 式 钢 刚 架 结 构 的 其 它 参 数 :截 面 参 数 为 h 0 = 360mm , b =170mm , tf =12 .7mm , tw =8mm ;结构 几何 参数为 H = 4m , L =20m , φ=15°。 利用程 序计 算这 组结构对应于不同荷载参数的抗火临界温度 。 由于变 截面门式刚架结构弹性 极限荷 载计 算复杂 , 这里 将荷 载参数 R 定义为 结构实 际荷 载与 结构 的弹 性极限 荷