（土木工程专业论文）钢结构建筑构件耐火设计方法的研究.pdf

中文提要 采用真实火灾条件研究建筑构件和结构的耐火性能是当前建筑防火研究的热点之 一；如何采用计算机模型模拟真实的建筑火灾以及基于不同火灾条件下整体结构对火反 应分析的结构耐火设计，是钢结构耐火研究的重点课题：制定基于建筑火灾安全性能化 设计的规范是建筑防火规范的发展方向。 本文主要研究钢结构的耐火极限设计方法，研究成果直接为修订现行国家相关标准 服务，进一步促进和规范钢结构建筑的防火设计，为统一相关国家标准关于钢结构的建 筑防火设计要求和制定我国以性能为基础的防火规范奠定基础。 本文在分析整理、研究国内外已有研究成果和现行国家相关标准的规定、钢结构构 件的不同耐火保护方法以及影响钢结构构件耐火性能的主要因素的基础上，提出火灾下 钢结构构件所需耐火极限的理论计算方法及在规范中如何确定有关防火设计要求的建 议： l 、现行国家有关建筑防火设计规范中以某一具体构件的耐火性能试验数据作为强 制性标准内容中的组成部分，是不合理的。建议将该部分内容纳入标准的条文说明或有 关设计手册中，并详细说明其应用条件。 2 、建议在相关建筑防火设计规范中，可以假设一个典型房间的通风条件，计算出 所有不同用途和高度的耐火时间，然后按建筑用途、高度和房间是否装有水喷淋用表格 分别表示，或当有可供使用的充分数据时，可用本文提出的等效耐火时间计算公式来计 算某一特定建筑或建筑某部分中钢结构构件的耐火时间。 3 、在防火设计规范中应区分有无主动防火措施保护时的情况，分别进行相关规定。 4 、本文提出的计算方法具有一定的局限性，未能充分分析结构构件的直接耐火极 限和间接而寸火极限相互作用对其耐火性能的影响，也未分析和考虑间接耐火极限的作 用。 关键词：钢结构构件耐火极限防火保护 a b s t r a c t b u i l d i n gf i r eo c c u r so f t e na n di t c a nc a u s eg r e a tl o s s t h ef i r em a y b r i n gc e r t a i nd a m a g e t ot h eb u i l d i n gs t r u c t u r e t os t u d y t h ep e r f o r m a n 。e o fb u i l d i n 2e l e m e n t sa n ds t r u c t u r eu n d e rr e a lf i r e s i t u a t i o n si so n eo f t h e p o p u l a rt o p i c so n t h ef i e l do f c u r r e n tb u i l d i n gf i r ep r o t e c t i o n h o w t ou s e f i r em o d e l st os i m u l a t e t h er e a l b u i l d i n g f i r ea n dt h es t r u c t u r a l f i r e r e s i s t a n c ed e s i g nb a s e do ng l o b a ls t r u c t u r a lr e a c t i o nt of i r eu n d e r v a r i o u s f i r es i t u a t i o n sa r et h ek e yt a s k sf o rs t e e ls t r u c t u r a l f i r er e s i s t a n c es t u d y - c h a n g i n g t h ec u r r e n tb u i l d i n gf i r ec o d et ot h ep e r f o r m a n c e 。b a s e do n ei s t h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f b u i l d i n gf i r ec o d e a tp r e s e n t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sh o w t or e g u l a t ef i r er e s i s t a n c er a t i n go f s t e e ls t r u c t u r e sa n de l e m e n t s t h ec o n c l u s i o n sa n dp r o p o s a l s - r e l a t e do f t h i sp a p e rw i l ld i r e c t l ys u p p o r tr e v i s i n gt h ec u r r e n t n a t i o n a ls t a n d a r d s ，i t w i l lr e g u l a t ea n da d v a n c et h ef i r ep r o t e c t i o nd e s i g no fs t e e l s t r u c t u r a l b u i l d i n g sa n dl a yaf o u n d a t i o nf o rm e c o n s e n s u so ft h ef i r ep r o t e c t i o n d e s i g no ns t e e ls t r u c t u r a lb u i l d i n g si nt h er e l e v a n tn a t i o n a l s t a n d a r d sa s w e l la st h ep r e p a r a t i o no f c h i n a p e r f o r m a n c e - b a s e d f i r ec o d e b a s e do na n a l y s i so fa n ds t u d yo n t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa th o m e a n da b r o a da sw e l la st h ep r o v i s i o n so fr e l a t e dn a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h e d i f f e r a n t p r o t e c t i o n m e t h o d sa n dt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n g t h ef i r e p e r f o r m a n c eo f s t e e ls t r u c t u r e ，t h i sp a p e rg i v e sat h e o r e t i c a lm e t h o dt o c a l c u l a t et h ef i r er e s i s t a n c e sr e q u i r e db ys t e e ls t r u c t u r a le l e m e n t s i ta l s o g i v e ss o m ep r o p o s a l s o nh o wt od e t e r m i n et h er e l a t e df i r ep r o t e c t i o n d e s i g nr e q u i r e m e n t so f t h ec o d e 11i ti su n r e a s o n a b l et ot a k et h ed a t af r o m t e s t sa s p a r t o ft h e c o m p u l s o r yr e q u i r e m e n t s i nn a t i o n a lc o d ef o rd e s i g no fb u i l d i n g f i r e p r o t e c t i o n 。t h i sp a p e rs u g g e s t st h a t t h i sp a r to f r e q u i r e m e n t ss h o u l d b ea s a l l e x p l a n a t i o n d o c u m e n t t e s t i n gc o n d i t i o n s m u s tb e 2 ) i ti ss u g g e s t e dt h a ti n i nr e l a t e dc o d e so rd e s i g nm a n u a l s ，a n dt h e g i v e n i nd e t a i l t h er e l a t e df i r ec o d e ，t h ev e n t i l a t i o ns i t u a t i o n s o fat y p i c a lr o o ms h o u l db ea s s u m e dt ow o r k o u tt h ef i r er e s i s t a n c e so f d i f f e r e n to c c u p a n c i e sa n dh e i g h t s ，t h e nl i s tt h e mi nt a b l e sr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t ot h eo c c u p a n c y , h e i g h ta n dr o o m ( i f i th a ss p r i n k l e ro rn o t ) if t h es u f f i c i e n td a t aa r ea v a i l a b l e ，t h ef o r m u l ag i v e ni nt h i sp a p e rc a nb e u s e dt oc a l c u l a t et h ef i r er e s i s t a n c eo fas p e c i f i e db u i l d i n gs t r u c t u r e o r p a r to f i t 3 ) t h e f i r e p r o t e c t i o nd e s i g nc o d es h o u l dd i s t i n g u i s hb e t w e e nt h e s i t u a t i o n sw i t ho rw i t h o u ta c t i v ef i r em e a s u r e s ，a n d r e g u l a t e s c o r r e s p o n d i n g l y 4 ) t h ec a l c u l a t i o nm e t h o dg i v e ni nt h i sp a p e r h a ss o m el i m i t a t i o n s i td o e s n t a n a l y z et h o r o u g h l y t h ee f f e c to fi n t e r a c t i o no fd i r e c ta n d i n d i r e c tf i r er e s i s t a n c eo nt h ef i r ep e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r e ，a n di td o e s n t c o n s i d e rt h ee f f e c to fj n d i r e c tf i r er e s i s t a n c ee i t h e r k e yw o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ，s t r u c t u r a lc o m p o n e n t ，f i r er e s i s t a n c e ，f i r e p r o t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：i = 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：z 缈旺烛字日期：2 o 。2 - - 年亭月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一始祝哆鸭名：奶弘 签字日期：如护二年器月舌日签字日期：2p 。2 年争月，矿日 第一章绪论 第一章绪论 11 前言 火的使用，对人类的进化发展和社会进步产生了巨大而深远的影响。一旦 火在时间和空间上失去控制便易酿成为火灾。根据国家标准消防基本术语 g b 5 9 0 7 8 6 ，火灾被定义为在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。由于 火灾与人类的生产、生活密切相关，火灾的发生具有不确定性、火灾机制复杂： 如果防火措施不当，火灾在建筑内外还易于蔓延，是一种易导致较严重后果的 多发性灾害。可以说，自从人类发明和使用火那时起，建筑火灾便接踵而至， 与人类的文明进程相伴相随，并不断威胁着人们的生命和财产安全。因此，建 筑防火历来受到人们的重视。 据统计，建国以来( 1 9 5 0 年至2 0 0 0 年) 我国共发生火灾( 不包括港、澳、 台地区和森林、草原、军队、矿井地下火灾，下同) 3 4 4 8 万起，死亡1 6 8 万人， 伤残3 1 9 万人，直接财产损失近2 0 0 亿元( 未计通货膨胀因素) 。从1 9 9 0 年至 2 0 0 0 年，我国计入消防监督机构统计的火灾及其损失情况见表l 一1 。由此可见， 火灾对国民经济和人身安全、人类环境造成的巨大损失和破坏作用。火灾是危 害人类的重大灾害之一【2 l 。 表l l 1 9 9 t 年至2 0 0 0 年l o 年间我国火灾及其损失情况 四项数字 年度 火灾起数死亡人数伤残人数损失( 万元) 合计8 8 8 4 8 52 4 5 6 44 3 4 2 21 1 6 4 4 6 7 1 9 9 14 5 1 6 72 1 0 53 7 7 l5 2 1 5 8 8 1 9 9 23 9 3 9 11 9 3 7 3 3 8 86 9 0 2 5 7 1 9 9 33 8 0 7 32 3 7 85 9 3 7 1 1 1 6 5 8 3 1 9 9 43 9 3 3 72 7 6 5 4 2 4 91 2 4 3 9 1 o 1 9 9 53 7 9 1 52 2 7 8 3 8 3 8 1 1 0 3 1 5 5 1 9 9 63 6 8 5 62 2 2 53 4 2 8 1 0 2 9 0 8 5 1 9 9 71 4 0 2 8 02 7 2 2 4 9 3 01 5 4 1 4 0 6 1 9 9 81 4 2 3 2 62 3 8 9 4 9 0 51 4 4 2 5 7 3 1 9 9 91 7 9 9 5 52 7 4 4 4 5 7 21 4 3 3 9 4 0 2 0 0 01 8 9 1 8 5 3 0 2 14 4 0 4 1 5 2 2 1 7 3 第章绪论 注：1 、表内数据不包括森林、草原、军队的火灾数据； 2 、表中“损失”为直接财产损失。 近2 0 年来，我国兴建的高层、超高层建筑和大空间、大跨度的工业与民用 建筑越来越多、越大，建筑功能也同趋复杂，使用人员、可燃物种类与数量等 也日益集中。由于钢结构具有强度高、有较好的抗震性能、结构自重较小、可 减少建筑中结构所占面积、建筑施工周期短等优点，在上述建筑中，大多采用 全钢结构( 轻铜、型钢、网架等) 或钢一混凝土混合结构建造，特别是超高层 建筑。另外，钢结构住宅的研究与开发也是当前建筑业的热点之- - 1 3 l 。上海、天 津和北京等地都已试点建设了一些钢结构住宅。但钢结构或钢构件也存在对某 些钢材要求较高、耐火性能差和防火处理费用相对较高( 钢结构的防火涂料费 用约为钢结构造价的3 0 【4 】) 等缺点。此外，现行国家相关标准的规定也严重 滞后于社会经济技术的发展水平，不利于钢结构建筑的健康发展和安全使用。 这些都给钢结构建筑防火设计研究提出了非常迫切的严峻课题。因此，如何迸 一步完善和充实现有建筑防火规范中的相关设计要求、改进钢结构的耐火设计 方法、合理确定建筑的火灾安全度，科学、经济地保障建筑的火灾安全和保护 建筑内的人员生命与财产，是每一个建筑防火科研人员必须正视和解决的新课 题。 1 2 钢结构防火研究的发展与现状 1 2 1 钢结构的耐火性能研究 1 2 1 1 国内外对钢结构的耐火性能与耐火承载力计算方法进行过大量研究 在英国、德国、加拿大、韩国、卢森堡和澳大利亚等国从2 0 世纪6 0 年代 开始对钢管混凝土柱、压型钢板一混凝土组合板、钢一混凝土组合梁在火灾下 的力学性能进行了大量理论分析和试验研究，如k l i n g s c h ( 1 9 8 5 ，1 9 9 1 ) 。h a s s ( 1 9 9 1 ) ，f a l k e ( 1 9 9 2 ) ，l e i 和s t r i n g e r ( 1 9 9 4 ) ，k i m ( 2 0 0 0 ) ，w a n g ( 1 9 9 9 ) ， k o d u r 和s u l t a n ( 1 9 9 1 ) 等。但上述研究大部分进行的郡是在i $ 0 9 3 4 标准火灾 条件下对这些单一构件的耐火行为与耐火承载力验算计算方法的研究。在进行 钢管混凝土桂的耐火设计时，大都采用在核心混凝土中配制专门考虑耐火的钢 筋或钢纤维，或通过酵低柱子的轴压比以使构件达到所要求的耐火极限。 此外，日本、英国爱丁堡大学、法国c t i c m 的火灾安全与测试中心、荷兰 t n o 的建筑研究所、英国钢结构协会等对钢结构的梁、板和柱及框架结构的耐 第一章绪论 火性能开展过研究，并在9 0 年代提出了结构耐火设计标准的草案【2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始对钏结构的耐火设计进行了研究，如文献 阳8 ，9 ，1 0 l 。原哈尔滨建筑大学、福州大学、同济大学、公安部天津消防科学研究 所和清华大学等单位都曾对钢结构构件、平面钢框架结构的耐火性能进行了一 系列研究，提出了钢柱、钢粱的实用耐火承载力验算计算方法。此后，对薄壁 钢构件、变截面门式钢刚架及高强螺栓连接点的耐火性能和设计方法进行了研 究i i 2 1 ，并对钢管普通混凝土柱1 6 1 、钢管高强混凝土柱i ”、压型钢板混凝土组合 板、钢一混凝土组合楼板增的耐火性能和设计方法开展了研究。国内的研究主 要集中在结构的单一构件按i s 0 8 3 4 规定的标准时间一温度曲线受火时的本构关 系的试验研究和小型结构模型的有限元耐火反应分析，提出相关耐火承载力和 保护层厚度的计算方法。 综上所述，国内外相关研究主要集中在以下几个方面： l 、高温下材料本构关系的研究，如钢材和混凝土在高温下的强度、弹性模 量及全过程曲线等。 2 、高温下材料热工性能的研究，如高温下材料的热导率、比热、容重及膨胀 系数等。 3 、构件和结构内部温度场的研究与分析计算。 4 、研究构件在高温环境中的破坏特征、不同构件形状或尺寸、不同受火方 式的影响规律、构件和结构的耐火极限及全过程分析。 5 、结构构件的耐火保护层计算。 6 、结构构件耐火试验方法研究。 7 、结构构件的耐火理论研究及相应的标准编制。 8 、对钢结构在火灾条件下的整体耐火性能做过初步研究如法国c t i c m 的b i nz h a o ，j k r u p p a 等人以及英国c a r d i n g t o n 试验室等。 在火灾下单个结构构件的失效并不意味着整体结构的破坏。钢结构在局却 构件发生破坏后仍将因结构内力重分布而具有一定承载力。另外，目前所采用 的标准温升曲线受火条件只考虑了建筑内以纤维火灾为主的火灾发展过程，未 考虑实际的火灾荷载、通风条件等因素，其结果与实际状况有较大差异。因此， 如何采用计算机模型模拟真实的建筑火灾，并基于不同火灾条件下整体结构对 火反应分析的结构耐火设计，是钢结构耐火研究的热点之一。而在建筑防火规 第一章绪论 范中进行基于建筑火灾安全性能化设计的规定，则是当前国内外消防安全工程 领域内的重点课题，也是建筑防火规范的发展方向。 所谓建筑的火灾安全性& 化设计是区别于现行以处方式规范规定为基础进 行设计的一种利用消防安全工程学等原理、以预定消防安全水平为目标的消防 上程设计方法，可视为是对现行规格式规范进行等效定量的一种方法，也可视 为是完全脱离规格式要求而制定的性能指标。设训人员按照设计对象的特性， 按规范要求，采用规格式规范或以性能为基础的设计和评估方法来完成认为可 接受或能够取得最低规定安全水平的设计。孩方法包括：( 1 ) 建立消防安全总 目标和予目标；( 2 ) 对火灾场景进行定性分析和概率分析；( 3 ) 利用已被接受 的工程应用工具、方法和性能判定标准，按照消防安全总目标和子目标对设计 替代方案进行量化与评估。 1 2 1 2 钢结构耐火设计方法研究的发展状况 随着人们对结构耐火认识的深入和结构计算理论的发展，钢结构的耐火设 计方法也得到不断发展。主要分以下几令阶段 1 0 , 1 4 1 ： l 、基于试验的构件耐火设计方法：通过在规定荷载分布与各国标准规定的 火灾时间一温度曲线条件下对不同类型的构件进行大量耐火试验，取得试验数 据并确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间，以此作为建筑防火设计的依 据。这种方法简单直观、应用方便，但难以考虑并模拟荷载的分布和大小、构 件端部约束条件、实际受火条件等因素。在现行建筑设计防火规范的附录中给 出的数据，均依赖此方法。 2 、基于计算的构件耐火设计方法：在考虑了荷载的分布和大小、构件端部 约束条件等因素以后应用经典解析方法或有限元等数值方法，通过理论计算来 确定构件的耐火极限。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧洲共同体等国家 的设计规范采用。但这种方法的受火条件仍是以i s 0 8 3 4 的标准升温曲线为基础。 上述方法所取镊的构件耐火极限状态不能表征整个结构的耐火极限状态。 且试验费用较高，试验的受火条件及计算假设均与实际火灾有较大差异。因此， 只有将整体结构的全过程对火反应分析作为结构耐火设计的基础，并按实际火 灾场景的温度变化进行受火研究分析，才可能与真实状态接近。 3 、基于计算的结构耐火设计方法：结构作为一个整体承受荷载，单个构件 的破坏并不意味着整个结构破坏。相反由于结构中的内力重分布，结构仍具有 第一章绪论 - 定的鼋载力。因此，结构的耐火设计方法与实际状况更接近更合理。法鼠已 采用此方法。英国也正在制定相关的标准，如b s 9 9 9 9 ( 草稿) 。 4 、考虑火灾随机性的结构耐火设计方法：这种方法以概率可靠度为指标， 考虑了火灾及空气升温的随机性。此法先确定不同典型场所的火灾荷载及其分 布、火灾场景，再采用性能化方法进行计算”，是各国目前正在积极研究的以 性能为基础的安全评估技术和建筑消防安全性能化设计的一部分。 目前我国对于钢结构构件的耐火能力确定方法为按常规方法完成设计的钢 结构，进行耐火能力的验算，确定满足防火规范规定的相应耐火要求。这种方 法大致还处于第二阶段，即：根据构件常温下的力学性能，设计荷载下构件应 力状态及构件的边界条件，确定其i 临界温度i 依据结构用钢材及混凝土的热力 学性能和热工性能、截面的几何形状、热传导方式、保护层厚度等，根据按建 筑构件耐火试验方法g b t 9 9 7 8 规定的火灾标准时间一温度曲线受火条件下钢构 件的耐火能力计算方法，确定构件在高温作用下的耐火极限和极限承载力；最 后验算在规定的耐火时间内，构件所达斟的温度最大值是否不大于其临界温度 1 5 1 ，或者与建筑设计防火规范规定的有关构件的耐火极限进行比较，确定最终 的钢结构保护设计，此方法可用图1 1 的设计流程图表示。 1 2 1 3 结构耐火试验研究 在7 0 年代，我国为了制定相关建筑设计防火规范，对建筑结构单一构件的 耐火性能开展了大规模的试验研究，取得了一批数据并作为结构耐火设计的 基础l i “。自8 0 年代以来，公安部天津和四川消防科学研究所、同济大学、哈尔 滨建筑大学等单位对钢结构构件及其保护的耐火性能进行了研究，并对结构整 体的耐火性能开展过小规模的试验研究。 国外对钢结构构件和钢混凝土混合结构构件进行过较多研究。只本在8 0 年代初，曾对系列钢框架模型利用电炉加热方法进行过火灾试验。9 0 年代前 后，法国等对钢结构整体耐火性能进行了试验研究，英国建筑研究所( b r e ) 、 钢结构学会( s c i ) 、爱丁堡大学等在c a r d i n g t o n 对整体钢结构进行了足尺实体 火灾试验，取得了批研究成果。 第一章绪论 建筑物的功能与用途 建筑物的高度 建筑物的重要性 律筑物内部的丰动防火设施 防火构造设计假定 结构材料的热t 性能 结构材料的力学性能 结构的设计荷载 要求的耐火极限t 计算的构件的耐火极限2 标准耐火试验升温曲线 否 是 图l l现行构件耐火极限设计漉程图 1 2 2 钢结构的防火保护研究 钢结构的防火保护主要有外包敷隔热屏蔽方法、自动喷水灭火系统和充水 冷却保护三种方式。国内外的相关研究主要集中在外包敷隔热屏蔽方法方面。 l 、国外在上世纪7 0 年代对钢结构防火涂料的研究和应用开展了积极的工 作并取得了许多实用成果。而采用防火板等方式保护则早在8 0 年前就已开始应 用。4 0 年代美国研制出硅酸钙保温绝热材料，9 0 年代，丹麦和德国研制出工作 温度商达l 1 0 0 。c 的无岩棉硅酸钙绝热材料f “j 。 2 、在我国，公安部天津和四川消防科学研究所、中国建筑科学研究院等单 位自2 0 世纪8 0 年代以来，对钢结构的防火保护进行了系统研究，取得了大量 成果。 在防火涂料研究方面，1 9 8 5 年研制出l g 钢结构防火隔热涂料，1 9 8 7 年研 制出薄型l b 钢结构膨胀防火涂料，1 9 9 4 年研制出s w h 室外钢结构防火隔热涂 料和s w b 室外钢结构膨胀防火涂料，1 9 9 6 年研制出l f 和c b 超薄型锅结构膨 胀防火涂料i ”】。此外，我国对钢结构防火涂料耐候性、耐久性方面也开展过一 些研究。 在防火涂料研制出来以前，我国建造的钢结构建筑的防火保护主要采用蛭 绍 求 第一章绪论 石混凝土板、珍珠岩板、石棉水泥板和石膏板等防火保护板材。随着人们对人 身健康和环境问题的日益重视，近1 0 年来，采用无石棉的硅酸石结构型防火板 对钢结构进行保护是新的发展方向。 在采用自动喷水灭火系统保护方面，主要是针对大空间或大跨度的屋架部分。 对于空心钢结构，也有采用在火灾时在其内部充入循环水进行冷去i _ 】保护。 1 2 ，3 国家相关规范规定情况 现行国家标准涉及到钢结构耐火防火保护和设计的标准主要有建筑设计 防火规范g b j l 6 8 7 、高层民用建筑设计防火规范g b 5 0 0 4 5 9 5 、高层民 用建筑钢结构技术规程j g j 9 9 9 8 、钢管混凝土结构设计与旌工规程 c e c s 2 8 ：9 0 和钢结构防火涂料应用技术规程c e c s 2 4 ：9 0 等。 在现行国家标准建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范 中均未对钢结构的耐火设计及其耐火极限计算作过规定，只规定了不同耐火等 级相应构件应达到的耐火极限；对钢结构柱防火保护方法有原则规定，但未给 出防火保护层的确定方法。在国家行业标准高层民用建筑钢结构技术规程 中尽管给出了钢结构构件的耐火承载力验算方法和保护层厚度计算方法，但未 给出钢结构构件所需耐火极限的确定方法。在钢结构防火涂料应用技术规程 中给出了不同防火涂料保护厚度对应的耐火极限，但也未给出不同功能建筑结 构构件所应具备的耐火极限计算方法。 1 3 高温下钢材和混凝土的热工性能和热力学性能 1 3 1 钢结构的高温特性 钢结构构件在工业与民用建筑中应用十分广泛。无保护层的钢结构在高温条 件下存在强度降低和蠕变现象。对建筑用钢而言，在2 6 0 。c 以前其强度不降低； 2 6 0 2 8 0 开始下降，达到4 0 0 对屈服现象消失、强度明显降 氐；达到4 5 0 5 0 0 时，钢材内部再结晶使强度急速下降；至5 5 0 c 时，其强度将损失4 0 i 至7 0 0 c 时”i 基本失去承载力。蠕变在较低温度时也会发生，但只有在高 于0 3 t t ( 以绝对温度表示的金属熔点) 时才比较明显，对于碳素钢，该温度约 为3 0 0 c 3 5 0 。c 。温度越高，蠕变越明显c 2 0 】。 1 3 2 混凝土的高温特性 混凝土由粗细集料和硅酸二钙凝胶体组成。高温下，混凝士将产生热分解， 从而改变了混凝土的力学性能和热学性能。当混凝土受热达到1 0 0 。c 时，其中的 第一章绪论 游离水开始蒸发；到2 0 0 。c 时，其化学结合水开始排除：在3 5 09 c 时，发生砬酸 钙和铝酸钙脱水；在5 7 09 c 时，发生氢氧化钙脱水和开始分解，导致水泥石结构 被破坏，使混凝土的强度明显降低。 混凝土弹性模量随温度升高而降低，当温度达到5 0 0 时，弹性模量将降低 到原来的5 0 ：当温度达到7 0 0 时，弹性模量将只有原来的2 5 左右。 1 4 本课题的意义、目的、来源和研究方法 1 ，4 1 课题研究的意义 随着国民经济的快速发展和现代化大型联合生产、大空间建筑和高层建筑 的建设需要，1 0 多年来，钢结构在我国建筑中得到了空前的发展与应用，被广 泛用于厂房、仓库、会展中心、宾馆、综合楼、体育馆、展览馆、候机楼等各 类大跨度建筑、重型结构和高层建筑。如深圳赛格广场和地王大厦，北京国际 贸易中心、京广中心和中国工商银行总行、广州好世界大厦、上海证券大厦、 浦东机场和北京首都机场候机楼等。在工业厂房和仓库中更是比比皆是。但在 建成的钢结构或钢混凝土混合结构建筑中发生火灾的案例已有不少，如1 9 6 9 年 1 2 月上海文化广场火灾后不到2 0 r a i n 就使8 6 0 0 m 2 的钢屋架全部垮塌2 引，1 9 9 6 年昆山市某轻钢结构厂房火灾造成4 3 2 0 m 2 的厂房倒塌i z 3 1 。t 9 9 8 年北京丰台玉泉 营家具城火灾造成该建筑整体垮塌。2 0 0 1 年山东威海某医用高分子制品公司输 液器生产车间发生火灾。过火面积1 0 6 0 0 m 2 ，锯屋架呈波浪状塌陷，外墙扭曲变 形、向内倾斜，车间聚苯乙烯夹芯彩钢板隔墙全部倒塌，损失1 0 0 0 多万元。1 9 9 9 年3 月山东东营市一大型商场发生火灾。该商场主楼四层，局部五层，五层屋 架为钢网架结构，其中三层、四层和五层大部分过火面积达7 0 0 0 m 2 ，造成五 楼钢结构屋架倒塌，并将四楼、三楼楼板击穿，直接财产损失5 0 0 余万元。 此外，天津市人民体育馆、长春卷烟厂，北京友谊宾馆剧场、江油电厂俱 乐部、f - l l 某纺织厂成品仓库、北京国际贸易中心、马鞍山市体育馆动力机房 2 2 1 等都曾发生火灾，有的出现不同程度的垮塌。 任何材料构造的建筑在设计时均应根据其建筑高度、使用性质和规模、体 量等考虑其耐火等级。对相应的建筑构件进行耐火设计。但从上述火灾事故情 况看，大部分是因钢结构构件束采取合适的耐火保护或构件的耐火极限设计与 实际建筑内的火灾条件差异较大。此外，其中有些结构构件的耐火极限是按照 现行的有关国家建筑设计防火标准进行的，而实际仍发生了垮塌。这说明现行 第一章绪论 规范对钢结构构件的防火要求还不甚完善，甚至有些不能很好地满足实际耐火 需要。但同时现行的构件耐火性能要求在某些情况下又存在偏于保守的倾向。 为此，深入研究钢结建筑构构件的耐火设计方法，提出合理的预测与计算方法， 能为科学合理地确定钢结构构件的耐火时间，在切实保证钢结构的预定耐火安 全水平前提下，尽可能地提高结构耐火保护的投资效益性能比。因此，本研究 在理论和实际应用中都具有十分迫切的现实意义和社会与经济意义。 1 ，4 2 课题研究的目的 通过本课题的研究，要实现以下目的： 1 、分析国内外有关钢结构的耐火性能和耐火保护的研究成果，确定火灾条 件下影响钢结构耐火性能的主要因素和钢结构耐火保护方法。 2 、提出钢结构耐火极限的确定方法和验算方法。 3 、分析钢结构耐火极限验算方法中的各参数对钢结构耐火极限的影响。 4 、提出钢结构建筑的防火设计要求建议。 本项目主要研究钢结构的耐火极限设计方法，研究成果直接为修订现行国 家相关标准服务，进一步促进和规范钢结构建筑的防火设计，为统一相关国家 标准关于钢结构的建筑防火设计要求和制定我国以性能为基础的防火规范奠定 基础。 1 4 3 课题来源 本课题是建设部建标 1 9 9 8 1 9 4 号关于印发“一九九八年工程建设国家标准 制订、修订计划( 第一批) ”的通知下达的国家标准建筑设计防火规范修 订项目中的一项专题研究课题和国家科技专项资金项目“性能化规范体系及火 灾特性参数数据库的研究”的一部分。本课题由公安部天津消防科学研究所承 担，于2 0 0 1 年底完成。 1 4 4 课题的研究方法 本文在已有研究的基础上，采取理论分析与试验验证相结合的研究方法进行 l 、分析整理、研究国内外已有研究成果和现行国家相关标准的规定，确定 影响钢结构耐火性能的主要因素和钢结构耐火保护方法。 2 、根据建筑物的具体情况提出火灾下钢结构构件所需耐火极限的理论计 算方法，确定对钢结构防火处理后的构件耐火极限的判定方法。 3 、在上述基础上，确定钢结构的耐火设计方法，提出有关防火设计要求建议。 第二章钢结构构件的耐火极限和试验方法 第二章钢结构构件的耐火极限和试验方法 2 ，1前言 目前，钢结构的耐火极限是在对结构在高温下材料的热力学性能( 如屈服 极限、弹性模量、应力一应变关系、蠕变等) 和热工性能( 如热导率、比热、 容重和热膨胀系数等) 等基础上，导出相应极限状态下的承载力计算方法并经 计算和必要的试验验证进行确定的。另外，也可以通过将结构构件在一定火灾 环境条件下达到其破坏温度时所对应的标准时间一温度曲线上的时间作为等效 时间的方法获得 2 8 , z 9 。 2 2 耐火极限的定义与规范规定 2 2 1 耐火极限的定义 建筑构件或建筑结构的耐火极限是建筑被动防火体系中的一个非常重要的 参数。建筑物的承重结构或其中的承重构件耐火极限的时间长短不仅决定了建 筑物的耐火安全等级、关系到其防火保护的投资与投资效益比，还壹接决定了 该结构在火灾下的失稳与倒塌时间，关系到火灾的蔓延程度与疏散人员和救援 人员的安全。 为此，国内外有关建筑规范或建筑设计防火规范中均对建筑物进行了耐火 分级，并对相应的结构构件的耐火和防火要求做了规定。建筑物的耐火等级由 构筑整个建筑物的所有构件的耐火极限和燃烧性能共同决定，其中的墙体、支 承柱、梁、楼板、屋面承重体系等主要承重构件的耐火性能起着决定性作用。 我国现行建筑防火设计规范将建筑构件的耐火极限定义为：对任一建筑构 件按时间温度标准曲线进行耐火试验，从受到火的作用时起，到失去支持能 力或完整性被破坏或失去隔热作用时为止的时间，用小时表示，上述3 个条件 的任一项出现时，均表明所试验的构件达到耐火极限。在美国标准f 蚓中则还需 要根据构件的耐火极限分别经受不同压力和时阕的冲击昶冷击试验。 该定义与国外大部分国家的规定一致，但在法国等国家的标准中对构件的 耐火极限要求的规定则是将上述三项指标韵时间分剐规定，如9 0 6 0 3 0 ，就是表 示某一构件的耐火稳定性、耐火完整性和耐火隔热性能分别不应小于9 0 、6 0 和 3 0 m i n ，。 在我国，构件耐火极限测试按照g b t 9 9 7 8 1 9 9 9 建筑构件耐火试验方法 蔓= 童塑垒塑塑笪塑壁当堂堡塑堕墼查壁 3 1 1 进行。 1 、支持能力即耐火稳定性。它是在标准耐火试验条件下，承重或非承重建 筑构件在一定时阃内抵抗垮塌的能力。其判定条件为：如试俘在试验中发生跨 塌，或变形量超过规定数值：梁或板构件的最大挠度超过l 2 0 ( r a m ) ；柱构件 轴向变形大于h t 0 0t m m ) 或轴向变形速率大于3 t l 1 0 0 0 ( r m r d m i n ) ，表明失去 支持力。l 为粱跨，h 为柱构件在加载后耐火试验前的初始受火高度。 2 、完整性。它是在标准耐火试验条件下，建筑分隔构件当一面受火时，能 在一定时间内防止火焰和热气穿透或在背火面出现火焰的能力。其判定条件为： 当用标准规定的棉垫进行完整性测试时，如棉垫被引燃或背火面串火达l o s 以 上，或者背火面出现超过规定的裂缝时表明试件失去完整性。 3 、隔热性。它是在标准耐火试验条件下，建筑分隔构件当一面受火时，能 在一定时间内其背火面温度不超过规定值的能力。其判定条传为：如试 牛背火 面的平均温升超过试件表面初始温度1 4 0 c 或单点最高温升超过初始温度1 8 0 c 时，表明试件失去绝热性。 显然，对于钢结构柱和梁的耐火极限主要考察其在受火条件下的耐火稳定 性。对楼板则主要考察其耐火稳定性，鄙受火时的挠度变化，同时要符合耐火 隔热性的要求。 2 2 2 耐火极限的规范规定 我国现行国家标准建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范 中对不同耐火等级建筑中的建筑构件做了相应规定。当建筑物采用钢结构构件 时，其耐火极限也应符合相应的规定【3 2 3 3 】，见表2 1 。 表2 1我国规范对不同构件的耐火极限规定值 耐火极限( h ) i 建筑的 商层民用建筑工业建筑、仓库和单层、多层民用建筑 耐火等 楼板、屋顶支承单支承多屋顶承 级柱粱粱楼板 承重构件层的柱层的柱重构件 一级3 o o2 ，0 01 5 02 5 03 0 02 0 01 5 01 5 0 二级2 5 0 1 5 01 o o2 ，0 02 5 01 5 01 0 00 。5 0 三级 2 o o2 5 01 0 0o 5 0 这些数值均为根据火灾统计结果所作的人为规定，未考虑建筑物内的实际火 第二章钢结构构件的耐火极限和试验方法 灾荷载密度等，对建筑高度、防火分区面积、用途和功能等只进行了定性的考 虑。 2 。3 火灾时间一温度曲线 2 3 1标准时间温度曲线 火灾的燃烧特征一搬采用时间温度变化曲线描述，不同环境条件下燃烧时 的时间一温度变化具有较大的随机性。但为了对建筑构件的耐火性能有一统一 认识，便于规范对建筑物的耐火等级进行分级和提出相应的防火设计要求，能 够对构件的耐火能力有一个统一的标准，各国均根据本国情况确定了自己的构 件耐火测试标准时间一温度曲线。如美国是采用一组数据，并根据改组数据绘 成曲线【3 0 】，英国采用国际标准化组织的曲线，但规定2 0 为初始温度 ( t t 一2 0 = 3 4 5 1 9 ( 8 t + 1 ) ) 1 3 4 】，我国是采用i s 0 8 3 4 1 9 9 7 的曲线( 图2 - 1 ) 和公式( 2 1 ) 。 t i t o = 3 4 5 1 9 ( 8 t + 1 )公式( 2 1 ) 式中：t t 一试验过程中t 时刻试验炉内的环境温度，： t 0 一试验时试验炉内的初始环境温度，； t 一试验时间，r a i n 。 ，一 一， ， 一 l r 6 01 2 01 8 02 4 03 0 0 酎闺n u n 图2 - 1 我国建筑构件耐火试验采用的标准时间一温度曲线 这一曲线是采用一个人为设计的炉内燃烧环境来力求模拟实际的火灾条件， 并对其进行了简化。试验时炉内环境温度按照这一规定的时间一温度曲线变化 0 o 0 0 o 0 o 0 0 o 0 0 0 加m如如如加如加 温度 第一章锅结构构件f l 勺耐火极限和试验方法 受到人为控制。 因此，以标准火测试结果为基础的耐火极限没有反应建筑构件在真实建筑火 灾中具有的实际耐火时间，且因费用大而使得对试验结果的复验机会很少。但 这种方法可用于比较类似火灾条件f 不同建筑构件的耐火性能。 此外，由于试验炉的大小是有限的，因此只能对“代表性”的样晶迸彳亍测试， 而进行标准火的足尺火灾试验不仅价格昂贵、试验时间长，且具有较大的不确 定性。 2 3 2 实际火灾时的燃烧时间一温度曲线 标准火灾试验只提供了相似条件下的评估比较方法但测试结果并不意味在 真实火灾该构件具有同样的耐火能力。标准时间一温度曲线模拟了严重的火灾 条件，但并不是最严重的可能火灾。真实的火灾时间一温度曲线变化很大，受 到着火区内火灾荷载密度( 确定空间内所有可燃材料和难燃材料完全燃烧所释 放的热量在单位参考面积上的热值) 、通风条件以及房问的几何形状等因素的影 响。另外，测试炉传热的辐射部分与真实火灾相比有所差异，火灾中传递到构 件上的总热量还取决于构件所接受的热通量。 在建筑室内火灾中，存在着可燃物披弓l 燃、产生火焰和热量、火羽漉和高温 热烟气层、围护或分膈构件影响以及通风开口等分过程。在室内空间受限条件 下，它们之问存在着强烈的相互作用。如无外界条件干扰，致使燃烧过程不断 加剧、热量不断积聚，最后到达轰燃，并逐步趋于稳定燃烧或因构件破坏而致 火势扩大或园燃科耗尽而逐渐衰减。建筑物室内火灾燃烧过程中的热量释放遵 循公式