（工程力学专业论文）钢结构构件在火灾下的温度场分析与热—结构耦合计算.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 钢结构与其它结构形式相比，具有强度高、质量轻、空间大、抗震性能好等明显的 优点，因此被广泛应用于工业厂房、高层建筑中。可是，钢结构不耐火，在火灾下，钢 材的强度、弹性模量等力学性能会急剧下降，从而导致钢结构发生严重的破坏。比如： 温度为4 0 0 c 时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到6 0 0 c 时，钢材基 本丧失了强度和刚度。所以对钢结构防火、抗火问题进行研究具有十分重要的理论意义。 我国现行的防火设计规范采用的是基于标准升温曲线实验校核法。其最大的问题在 于不分失火房间的具体情况而予以统一的规定。这种方法不易操作，其设计结果有时失 之经济，有时又失之安全，且其可靠度也较差。目前国内的钢结构抗火设计也主要采用 基于试验的构件抗火设计方法，这种方法费用昂贵，而且很难模拟构件在整体结构中荷 载的分布、大小、以及端部约束等情况。并且在高温试验中，实验炉中的温度控制及钢 结构的温度采集也具有一定的难度。而通过计算来确定钢结构及其构件在火灾下的温度 场分布和抗火极限温度，则可以更加合理的确定钢结构的防火保护措施。因此，对于基 于计算的钢结构抗火设计方法进行研究具有重要的理论价值和工程实用价值。 a n s y s 作为大型通用有限元软件在工程中有着广泛的应用，它为用户提供了一百 多种单元，具有极强的分析能力，所建的模型能够真实的模拟工作状态，分析的结果准 确、可靠。同时a n s y s 的前后处理的功能非常强大，可以建立复杂的分析模型，其网 格划分也可以根据用户的要求采用不同的精度，以达到预期的结果。 a n s y s 软件中的热分析可以模拟钢构件在火灾下的响应。本文通过对涂有不同厚度 保护层的钢管的热分析，显示出了不同时刻构件截面的温度分布云图及截面上特定位置 上的节点随时间的温度变化曲线。根据对比不同厚度保护层钢管的升温曲线及截面温度 分布，得出了防火涂料在钢结构抗火中发挥了重要作用这一结论。 在实际情况下，钢结构构件在火灾中的分析属a n s y s 中的热一结构耦合分析，这 是因为火灾中施加在结构上的力既包括实际外力荷载还包括温度荷载。本文通过大量的 结构钢高温物理特性、力学性能等参数的分析，以有限元原理、传热学及工程力学为基 础，利用a n s y s 软件，建立起钢结构构件在室内局部火灾条件下的传热模型与在外力 荷载及温度荷载共同作用下的受力模型。通过对一工字型钢梁进行的火灾模拟计算，分 析了火灾情况下钢构件的极限温度、耐火时间、节点位移随时间变化曲线以及构件上不 山东建筑大学硕士学位论文 同位置节点的应力变化曲线。并根据构件受火条件的不同，得到其不同的失效状态。 a n s y s 强大的非线性分析功能、图形功能及高精度保证了分析与实际火灾最为接近。 这些工作对真实火灾作用下结构体系极限状态的研究以及常规设计具有深远的意 义。 关键词：钢结构抗火，a n s y s ，热分析，热一结构耦合计算 山东建筑大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s ea n dt h e r m a l - s t r u c t u r a lc o u p l e d c a l c u l a t i o no ft h es t e e ls t r u c t u r ei nt h ef i r e ( m e c h a n i c so fe n g i n e e r i n g ) a b s t r a c t c o m p a r e d t oo t h e rf o r m so f s t r u c t u r e s ，s t e e ls t r u c t u r e sh a v em a n yo b v i o u s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs t r e n g t h , l i g h t w e i g h t ，w i d ei n t e r s p a c e ，g o o da s e i s m a t i c s o ，s t e e l s t r u c t u r ei sw i d eu s e di ni n d u s t r yw o r k s h o p sa n dh i g ha r c h i t e c t u r e s h o w e v e r , t h es t e e l s t r u c t u r eh a sap o o rf i r e r e s i s t a n c ea b i l i t y u n d e rf i r ec o n d i t i o n ，i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t ys u c h a ss t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u sd e c r e a s es e v e r e l y a n dt h i sw i l ll e a dt ot h es t e e ls t r u c t u r e s s e r i o u sd e s t r o y f o ri n s t a n c e ：w h e nt h et e m p e r a t u r ei su pt o4 0 0 c ，s t e e ls t r u c t u r e s y i e l ds t r e n g t h w o u l dd e c r e a s et h eh a l fo ft h ey i e l ds t r e n g t ha tt h en o r m a lt e m p e r a t u r e ，a n dt h es t e e lw i l ll o s tm o s to fi t s s t r e n g t ha n dr i g i d i t yw h e nt h et e m p e r a t u r eu pt o6 0 0 c t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h et h e o r yt os t u d y t h ep r o b l e mo ff i r er e s i s t a n c ea n df i r ep r o t e c t i o no ft h es t e e ls u u c t u r c s c h i n e s ec u r r e n tc o d ef o rf i r er e s i s t a n c ea d o p t st h em e t h o do fa d j u s t m e n tb ye x p e r i m e n t t h eb i g g e s tp r o b l e mi st h es a m el i m i ti nd c s p 娩o ft h es p e c i f i cc a s eo ft h ef i r er o o m t h e o u t p i u to ft h i sm e t h o di sn oe c o n o m i c a lo ri sn os a f ea to t h e rt i m e t h em e t h o dc a n to p e r a t e e a s i l ya n di t sc r e d i b i l i t yi sb a d i nc h i n a , t e s t b a s e df i r er e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o di st h e p r e v a i l i n gf i r er e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o df o rs t e e ls t r u c t u r e s h o w e v e r , u s i n gt h et e s t b a s e df i r e r e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o d ，i ti sc o s t l ya n dh a r dt os i m u l a t et h em a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o no f l o a d sa n dt h ee n dr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n so ft h es p e c i m e n si nt h es t r u c t u r e b e s i d e s ，t h e r ea r e a l s oal o to fd i f f i c u l t i e si nt h ep r o c e s so ft e m p e r a t u r e sc o n t r o li ne x p e r i m e n tf u r n a c ea n d t e m p e r a t u r e sc o l l e c t i o no ft h es t e e ls t r u c t u r ei nh i g ht e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r ef i e l d s d i s t r i b u t i n ga n dt h eu l t i m a t et e m p e r a t u r eo ft h es t e e ls t r u c t u r ec a nb ed e t e r m i n e dt h r o u g h c a l c u l a t i o n - b a s e df i r er e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o d t h e r e f o r e ，at h o r o t i g hs t u d yo ft h e c a l c u l a t i o n - b a s e df i r er e s i s t a n c ed e s i g nm e t h o dh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e a st h el a r g e - s c a l eg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n s y sh a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i nt h ep r o j e c t i th a sp r o v i d e dm o r et h a n1 0 0k i n d so fu n i t sf o rt h eu s e r i ta l s oh a st h eg r e a t l y s t r e n g t h e n e da n a l y s i sa b i l i t y , a n dt h em o d e li tc o n s t r u c t sc a ns i m u l a t et h er e a lp r o j e e ts t a t u s 1 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 t h e a n a l y s i sr e s u l ti sa c c u r a t ea n dr e l i a b l e s i m u l t a n e o u s l y , a n s y s sf i r s ta n dp o s tp r o c e s s e s i se x t r e m e l yf o r m i d a b l e w ec a nu s ei tt oe s t a b l i s ht h ec o m p l e xa n a l y s i sm o d e l i t sg r i dd i v i s i o n a l s om a yp r o v i d ed i f f e r e n tp r e c i s i o n sa c c o r d i n gt ou s e r sr e q u e s tt oa c h i e v et h ea n t i c i p a t e d r e s u l t a n s y s st h e r m a la n a l y s ec a nb cu s e di ns i m u l a t i n gt h es t e e ls t r u c t u r e sr e s p o n s ei n f i r e t h i sa r t i c l es i m u l a t e ds t e e ls t r u c t u r em e m b e rr e s p o n dt ot e m p e r a t u r ei nt h ef i r e ，a n d d i s p l a yt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gn e p h o g r a m a td i f f e rt i m e sa n dv a r i a t i o n a lt e m p o r a l t e m p e r a t u r ec u r v eo fs a m eg i v e nn o d e si nt h es e c t i o n i na c c o r d i n gt oc o m p a r i n gt h e t e m p e r a t u r e sc u r v ea n dd i s t r i b u t i n go ft h ed i f f e r e n tp r o t e c t i o nt h i c k n e s s , w eg e tt h a tt h e f i r e p r o o f i n gd o p ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h ef i r e - r e s i s t a n to f s t e e ls t r u c t u r e s i nf a c t c i r c u m s t a n c e ，t h es t e e ls t r u c t u r e m e m b e r st h e r m a l a n a l y s eb e l o n g s t o t h e r m a l - s t m c t m a lc o u p l e da n a l y s e b e c a u s et h ef o r c e so nt h es t r u c t u r ec o n s i s t so u t s i d ef o r c e l o a da sw e l la st e m p e r a t u r el o a d t h t o l j i g hal o to fp a r a m e t e r so ft h es t e e ls t r u c t u r eu n d e rf i r e c o n d i t i o ns u c ha sm e c h a n i c sc a p a b i l i t i e sa n dp h y s i c sc a p a b i l i t i e s ，a n do nt h eb a s eo fn o n l i n e a r f m i t e ，h e a tt r a n s f e ra n a l y s ea n de n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，t h eh e a tt r a n s f e rm o d e la n dm e c h a n i c s m o d a lf o r c e do ns t a t i c1 0 a da n dt h e r m a ll o a do fas t e e ls t r u c t u r em e m b e ru n d e rf i r ei s s i m u l a t e db yt h es o f t w a r eo fa n s y s t h i sa r t i c l ea n a l y z e dai - s h a p e ds t e e lb e a m sr e s p o n s ei n f i r e ，a n dd i s p l a yt h es t e e ls t r u c t u r em e m b e r su l t i m a t et e m p e r a t u r e ，f i r e r e s i s t a n tt i m e ，t h e v a r i a t i o n a lt e m p o r a ld i s p l a c e m e n t s 鲫ea n dv a r i a t i o n a lt e m p o r a ls t r e s s c m v eo fs a m eg i v e n n o d e si nt h es t r u c t u r e sm e m b e r w ec a l lg e td i f f e r e n tu l t i m a t es t a t e sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t c o n d i t i o no ft e m p e r a t u r el o a d a n s y s f o r m i d a b l en o n l i n e a ra n a l y s i sf u n c t i o n ，t h eg r a p h f u n c t i o na n dt h eh i g ha c c u r a c yg u a r a n t e et h ea n a l y s i sa n dt h ea c t u a lf i r em o s ta p p r o a c h t h i sw o r kh a st h ep r o f o u n dm e a n i n gt on o r m a lr e g u l a t i o n sa n dt h er e s e a r c ho ft h eu l t i m a t e s t a t eo fs t r u c t u r a ls y s t e mi nat u r ef i r ec o n d i t i o n k e yw o r d s ：f i r e - r e s i s t a n to fs t r u c t u r e ，a n s y s ，t h e r m a la n a l y s e ，t h e r m a l s t r u c t u r a l c o u p l e dc a l c u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明本人承担本声明的法律责任 学位论文作者签名：童j 边呜日期五啤：= ：矽 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件扣 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑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，可以采用影印、缩印或其它手段保存， 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期型：丝 日期望z ：亟：至墨 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出 目前钢结构广泛的应用在工业厂房、多高层建筑、特别是超高层建筑中。钢结构建 筑正在建筑领域扮演着越来越重要的角色。这是因为它拥有很多优点，比如：钢结构的 强度高、自重轻、延伸性好、节约施工时间、施工不受季节影响、增大建筑使用面积、 减少建筑垃圾和环境污染、建筑材料可重复利用、抗震性能好、结构形式上具有良好的 空间感、能够实现创新的规划和空间设计。钢结构与传统的建筑结构形式相比，是一种 最符合“绿色建筑”1 1 】特征的结构形式。最容易实现设计的标准化、构配件生产的工厂 化、施工的装配化和机械化、产品供应的社会化和市场消费的系列化。 随着钢结构技术的深入发展以及钢结构防火保护技术日臻成熟，钢结构在超高层及 大跨度建筑中更显示出了强大的生命力。自1 8 8 5 年芝加哥建起第一座高5 5 米的钢结构 大楼以来，一幢幢高层，超高层钢结构建筑如雨后春笋般拔地而起。到目前为止，世界 上高度为2 0 0 m 以上的1 0 0 栋超高层建筑中钢结构建筑约占了7 9 。著名的钢结构建筑 有法国巴黎的埃菲尔铁塔，日本东京的东京塔，美国芝加哥的西尔思大厦，纽约的帝国 大厦，中国香港的中银大厦以及前纽约世贸中心大厦等。芝加哥西尔思大厦高4 4 3 米， 原纽约世界贸易中心高4 1 2 米，东京阳光大厦高2 2 6 米，它们都是大城市的标志性建筑， 都是纯钢结构建筑。 八十年代以来，我国的建筑结构应用技术也得到了蓬勃发展，高层和超高层建筑迅 速增长。因此钢结构建筑在我国迅速得以发展。如北京1 5 6 4 m 高的国贸中心、1 8 3 5 m 高的京城大厦、2 0 8 m 高的京广中心，上海1 5 3 m 高的新锦江大酒店，深圳1 6 5 m 高的发 展中心大厦和3 1 0 m 高的地王大厦，北京大跨度亚运会体育馆，上海世界排名第二、跨 度6 0 2 米的杨浦大桥等。 不难看出，随着我国城市现代化的发展，钢结构在我国有着广阔的发展前景。 火在人类进化和生产力发展过程中起过巨大的作用，然而火失去控制给人类生命财 产造成的危害也是巨大的。据统计，世界上发达国家每年的火灾损失多达几亿甚至十几 亿美元，占国民经济总产值的0 扫1 0 1 2 1 。从1 9 7 6 年到1 9 8 0 年问，美国平均每年发生 火灾3 0 7 4 万余起，死亡8 7 3 0 人，直接经济损失折合人民币达8 3 5 亿元【3 】a 从1 9 9 2 年 到1 9 9 4 年三年间，每年因火灾造成的直接经济损失分别为9 2 亿美元、8 2 亿美元和1 0 0 亿美元。1 9 8 0 年，日本发生火灾6 万余起，造成的直接经济损失为1 4 6 0 亿日元，1 9 8 9 山东建筑大学硕士学位论文 年4 5 0 0 亿日元，1 9 9 0 年5 2 0 0 亿日元，1 9 9 1 年7 9 0 0 亿日元。俄罗斯也是一个火灾多发 地，1 9 9 7 年火灾死亡人数1 3 8 万人，1 9 9 9 年为1 5 万人，俄罗斯2 0 0 1 年前三个月就发 生火灾5 5 0 0 0 起，损失1 9 亿美元，火灾使1 0 2 0 0 座建筑物被毁。2 0 0 0 年莫斯科总高5 3 2 m 的世界第二高电视塔起火，致使电视转播中断3 天，损失达4 0 0 0 万美元。菲律宾国际会 议中心2 0 0 1 年2 月2 2 日发生大火，造成了巨大损失。1 9 9 6 年韩国汉城一家商场起火， 致使5 0 2 人死亡。德国和英国每年也约有6 0 0 多人死于火灾之中 据统计，我国5 0 年代年平均火灾直接经济损失0 5 亿元，6 0 年代1 5 亿元，7 0 年代 2 5 亿元，8 0 年代3 2 亿元，进入9 0 年代，火灾损失更为严重，例如1 9 9 3 年我国发生火 灾3 8 0 9 4 起，死亡2 4 7 6 人，伤5 9 7 7 人，直接经济损失1 1 2 亿元( 不含军队、森林火灾) ， 占国内生产总值的0 3 8 ；1 9 9 4 年全国共发生火灾3 9 3 3 7 起，死亡2 7 6 5 人，伤4 2 4 9 人， 直接经济损失1 2 4 4 亿元。 钢材虽为非燃烧材料，可钢材不耐火，随着钢材温度的升高，其强度和刚度都迅速 降低，温度为4 0 0 时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半；温度达到6 0 0 时， 钢材的屈服强度和弹性模量降至为常温下的1 5 ，基本丧失了全部的强度和刚度。因此， 火灾对钢结构的危害非常大，特别是未加防火保护的钢结构，一旦发生火灾，结构很容 易遭到破坏。例如：1 9 7 0 年美国5 0 层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧 扭曲l o c m 左右。1 9 9 0 年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢 梁和楼盖钢架严重破坏。1 9 9 8 年北京某家俱城失火，造成该钢结构建筑整体倒塌。造成 损失最大的莫过于2 0 0 1 年的“9 1 1 ”事件，2 0 0 1 年9 月l l 号，美国纽约两座1 1 0 层、 高4 1 2 m 的世贸中心大厦受到飞机撞击，发生大火，两幢钢结构塔楼整体坍塌。死亡和 失踪人员约4 0 0 0 人，直接经济损失高达数百亿美元。究其原因是因为撞击南北两塔楼的 飞机均携带了几十吨的高级航空燃油，当飞机撞进大楼之后，使得飞机油箱破裂，几十 吨燃油迅速燃烧起来，火灾使室内温度高达8 0 0 0 一1 4 0 0 0 ，造成被撞部分的钢结构 体系因高温作用而失效，使得上部结构自然下落，巨大的冲击力导致大厦坍塌( 如图1 1 ) 。 由此可见，对钢结构的抗火性能的研究已经成为工程界迫切需要解决的问题。 山东建筑大学硕士学位论文 图1 i 世贸双塔受火及梁端剪切破坏 1 2 钢结构的防火与抗火 防火：主要是指对建筑结构实施的防火措施，比如喷涂防火涂料。施加防火板、防 火墙，对建筑物进行防火分区、布置消防设施等等。 抗火：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( 简称抗风) 、 抵抗地震( 简称抗震) 等。火作为一种环境的作用同样需要结构抵抗，即抗火。结构抗 风和抗震是通过设计足够大的结构构件以抵抗由风或地震产生的结构内力来实现的，而 结构抗火一般通过对结构构件采取防火保护措施，使其在火灾中承载力降低不致过多而 满足受力要求来实现。 结构抗火设计，可归结为设计结构防火保护措施，使其在承受确定外荷载条件下， 满足结构耐火时间要求。 1 3 建筑物的耐火等级 各类建筑由于使用性质、重要程度、规模大小、层数多少、火灾危险性或火灾扑救 难易程度存在差异，所要求的耐火能力可有所不同。根据建筑物不同的耐火能力要求， 可将建筑物分成若干耐火等级。我国建筑设计防火规范将建筑物耐火等级分成四级 【4 1 。 1 3 1 一般民用建筑的耐火等级 消防上一般民用建筑是指：九层及九层以下的住宅( 包括底层设置商业服务网点的 住宅) 和建筑高度不超过2 4 m 的其他民用建筑，以及建筑高度超过2 4 m 的单层公共建 筑。 一般民用建筑的耐火等级与建筑物的层数，长度和每层面积的关系如表( 1 1 ) 。 山东建筑大学硕士学位论文 表1 1 一般民用建筑的耐火等级与建筑物的层数、长度和每层面积的关系 防火分区间 最多允 耐火等级 最大允许长度每层最大允许 备注 许层数 ( m 2 ) 建筑面积( m z ) 1 体育管、剧院等的长度和面积 按建筑设计防可以放宽 一、二级火规范第1 0 3 1 5 02 5 0 0 2 托儿所、幼儿园的儿童用房不 条的规定应设在四层及四层以上或地 t 下、半地下建筑内 1 托儿所、幼儿园的儿童用房不 应设在三层及三层以上或地 下、半地下建筑内 三级5 层1 0 0 1 2 0 0 2 电影院、剧院、礼堂、食堂不 应超过二层 3 医院、疗养院的住院部分不应 超过三层 学校、食堂、菜市场、托儿所、 四级2 层6 06 0 0 幼儿园、医院等不应超过一层 注；重要的公共建筑戍采用一、二级耐火等级的建筑。商店、学校、食堂、菜市场如采用一、二 级耐火等级的建筑有困难，可采用三级耐火等级的建筑。 建筑物的& 度，系指建筑物各分段中线长度的总和。如遇有不规则的平面而有各种不同量法 时。应采用较大值。 建筑内设有自动灭火设备时，每层最大允许建筑面积可按本表增加一倍；局部设置时，增加 面积可按该局部面积一倍计算。 防火分区间应采用防火墙分隔，如有困难时，可采用防火卷帘和水幕分隔。 1 3 2 各类工业厂房的耐火等级 各类厂房的耐火等级与厂房的层数、占地面积有紧密的关系，具体如下表【4 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 表1 2 厂房的耐火等级与层数和楼面面积的关系 防火分区最大允许楼面面积( m 2 ) 生产类别 耐火等级最多允许层数 厂房的地f 室和 单层厂房多层r 盛高层厂房 半地下室 一级除生产必须采 4 0 0 03 0 0 0 田 二级用多层外，宜采 3 0 0 02 0 0 0 用单层 一级不限 5 0 0 04 0 0 02 0 0 0 乙 二级 64 i ) 0 03 0 0 01 5 0 0 一级不限不限 6 0 0 03 0 0 05 0 0 丙二级不限 8 0 0 04 0 0 02 0 0 05 0 0 三级 23 0 0 02 0 0 0 _ 一、二级不限不限不限 4 0 0 01 0 0 0 丁三级 3枷02 0 0 0 _ 四级 11 0 ( 的 二、二级不限不限不限 6 0 0 01 0 0 0 戊三级 35 0 0 03 0 0 0 _ 四级 11 5 0 0 _ 注：防火分区间应用防火墙分隔。一、二级耐火等级的单层厂房( 甲类厂房除外) 如面积超过本 文表规定，设置防火墙有困难时，可用防火水幕带或防火卷帘加水幕分隔。 一级耐火等级的多层及二级耐火等级的单层、多层纺织厂房( 麻纱厂除外) 可按本表规定增 加5 0 ，但上述厂房的原棉开包、清花车间均应设防火墙分隔。 一、二级耐火等级的单层、多层造纸生产联合厂房，其防火分区最大允许占地面积可按本表 的规定增加1 5 倍。 甲、乙、丙类厂房有自动灭火设备时，防火分区最大允许占地面积可按本表的规定增加一倍； 丁戊类厂房装设自动灭火设备时，其占地面积不限。局部设置时，增加面积可按该局部面积 的一倍计算。 一、二级耐火等级的谷物筒仓 作塔，且每层人数不超过2 人时，最多允许层数可不受本表 限制。 了 山东建筑大学硕士学位论文 邮政楼的邮件处理中心可按丙类厂房确定。 1 4 建筑结构构件和整体结构的耐火极限 1 4 1 建筑结构构件的耐火极限 建筑结构构件的耐火极限定义为：构件受标准升温火灾条件下，失去稳定性、完整 性或绝热性所用的时间，一般以小时( h ) 计。 失去稳定性是指结构构件在火灾中丧失承载能力，或达到不适宜继续承载的变形。 对于梁和板，不适于继续承载的变形定义为最大扰度超过1 2 0 ，其中z 为试件的计算跨度。 对于柱，不适合继续承载的变形可定义为柱的轴向压缩变形速度超过3 h ( m m m i n ) ，其中h 为柱的受火高度，单位以m 计。 失去完整性是指分隔构件一面受火时， 透构件，造成被火面可燃物起火燃烧。 失去隔热性是指分隔构件一面受火时， 起火燃烧。 构件出现穿透裂缝或穿火缝隙，使火焰能穿 被火面温度达到2 2 0 c ，造成被火面可燃物 当进行结构构件的耐火设计时，可将结构构件分为两类，一类为兼做分隔构件的结构 构件( 如承重墙、楼板) ，这类构件的耐火极限应由构件失去稳定性或失去完整性或失去 绝热性三个条件之一的最小时间确定；另一类为纯结构构件( 如梁、柱、屋架等) ，该类 构件的耐火极限则由失去稳定性单一条件确定。 在确定结构构件的耐火极限要求时，应考虑以下因素： ( 1 ) 建筑的耐火等级。由于建筑的耐火等级是建筑防火性能的综合评价或要求，耐火 等级越高，结构构件的耐火极限要求也需要相应提高。 ( 2 ) 构件的重要性。越重要的构件，耐火极限要求应越高。由于建筑结构在一般情况 下，楼板支撑在梁上，而梁又支撑在柱上，因此梁比楼板重要，而柱又比梁更重要。 ( 3 ) 构件在建筑中的部位。如在高层建筑中，建筑下部的构件比上部的构件更重要。 我国现行有关规范，仅考虑了上述( 1 ) 、( 2 ) 两个因素，对建筑结构构件的耐火极限作 了明确规定，如表( 1 3 ) 所示。表( 1 3 ) q h 非燃烧体、难燃烧体和燃烧体是指构件的燃烧性 能，其定义如下： ( 1 ) 非燃烧体。指受到火烧或高温作用时不起火、不燃烧、不炭化的材料。用于结构 构件的这类材料有：钢材、混凝土、砖、石等。 ( 2 ) 难燃烧体。指在空气中受到火烧或高温作用时难起火，当火源移走后，燃烧立即 停止的材料。用于结构构件的这类材料有：经过阻燃、难燃处理后的木材、塑料等。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 燃烧体。指在明火或高温下起火，在火源移走后能继续燃烧的材料。可用于结构 构件的这类材料主要有：天然木材、竹子等。 我国目前关于建筑结构构件耐火极限的划分是以楼板为基准的( 表1 3 ) 。 表1 3 建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限 愁 一级二级三级四级 、越? 逛芝 构件名称 非燃烧体非燃烧体非燃烧体非燃烧体 防火墙 4 o o4 0 04 0 04 o o 墙 承重墙、楼梯问、非燃烧体 非燃烧体非燃烧体难燃烧体 电梯井的墙 3 0 02 5 02 5 0o 5 0 支承多层的柱非燃烧体 非燃烧体非燃烧体难燃烧体 柱问支撑 3 o o2 5 02 5 0 o 5 0 柱 支承单层的柱 非燃烧体非燃烧体非燃烧体燃烧体 柱间支撑 2 5 02 0 02 0 0 粱非燃烧体非燃烧体非燃烧体难燃烧体 桁架 2 0 01 5 01 0 00 5 0 非燃烧体 非燃烧体非燃烧体难燃烧体 楼板 1 - 5 01 o oo 5 0 o 2 5 屋顶承重构件 非燃烧体非燃烧体燃烧体燃烧体 屋面支撑、系杆 1 5 0 o 5 0 非燃烧体非燃烧体非燃烧体燃烧体 疏散楼梯 1 5 0 1 0 01 0 0 耐火等级为一级建筑的楼板的耐火极限定为1 5 h ，二级定为1 0h ，三级定为0 5h ， 四级定为0 2 5h 。确定梁的耐火极限时，考虑梁比楼板的耐火极限相应提高，一般提高 0 5h 。而柱和承重墙比楼板更重要，则将它们的耐火极限在梁的基础上进一步提高。 1 4 2 建筑整体结构耐火极限 建筑结构整体的耐火极限定义为：建筑确定的区域发生火灾，受火灾影响的有关结 构构件在标准升温条件下，使整体结构失去稳定性所用的时间，以小时( h ) 计。 山东建筑大学硕士学位论文 我国现行的建筑防火设计规范尚未对建筑结构整体的耐火极限做出规定。但根据结 构抗火设计的目的，建筑结构整体的耐火极限要求可按该建筑中所有构件耐火极限要求 的最大值确定。 1 5 结构抗火设计的目的与意义 我们进行钢结构抗火研究的意义主要有以下几个方面：首先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；其次避免结构在火灾中整体 倒塌造成人员伤亡：再次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。 1 6 国内外结构抗火设计研究概况 国外对结构的抗火性能的理论和实验研究开展的比较早，研究对象包括构件、节点 和整体结构等。早在1 9 1 8 年，在美国就已经开始了混凝土的抗火试验，1 9 3 2 年，英国 开始了针对单根构件的受火试验1 挪。为了保证结构抗火安全，国际上从2 0 世纪5 0 年代 开始重视结构抗火研究。波特兰水泥协会、美国混凝土协会、美国预应力混凝土协会、 欧洲国际混凝土协会先后成立混凝土结构抗火研究小组，主要研究了混凝土的高温材性 1 6 - 8 1 、 梁 9 1 、柱【1 0 , 1 1 j 和板1 l 7 - 1 4 1 的抗火性能与计算方法及框架的火灾反应1 1 5 1 。 以结构分析的方法对钢结构的抗火性能进行研究大约始于1 9 7 0 年左右。2 0 世纪8 0 年代以来国际范围内对钢结构的抗火研究越来越广泛和深入，美国、日本、英国、德国、 瑞典、澳大利亚、新西兰等在结构钢的高温性质【1 岳1 纠、钢梁【孙2 2 】钢柱【2 3 瑚j 和钢框架1 2 9 - 3 2 1 的抗火试验与理论研究方面取得了大量成果，编制了基于计算的钢结构抗火设计规范。 1 9 9 5 1 9 9 8 年，英国进行了著名的卡丁顿试验p 3 1 。文献【3 4 3 6 1 对高温下结构钢的材料性 能作了全面系统的试验研究，并在此基础上提出了大量的理论分析成果。文献【5 】给出了 单根构件火灾下分析的一些基本要素，并给出了考虑不同约束，不同温度梯度和荷载分 布的简单计算公式。文献【3 7 】对梁柱连接的节点性能进行了试验研究和有限元分析。 对结构抗火性能的理论和试验研究国内也做了很多，早在上个世纪八十年代末，国 内同济大学，清华大学和一些钢结构公司对结构钢q 2 3 5 、q 3 4 5 、檩条用钢s m 4 1 、高强 螺栓2 0 m n t i b 在高温下的弹性模量，屈服强度，延伸率，应力一应变关系进行了较为系 统的试验研究【3 8 , 3 9 1 。文献1 4 0 ，4 1 1 对火灾的模化、燃烧模型、温度传播及火灾下钢构件的 升温作了一定的分析探讨。中国建筑科学研究院和同济大学进行了高温钢材特性【4 “4 1 、 各类钢构件【4 5 御i 、高强螺栓连接节点【5 0 j 、钢框架结构【5 1 5 3 l 的抗火试验与理论研究。原冶 金部建筑科学研究总院、清华大学、同济大学等至2 0 世纪8 0 年代中后期开始进行了混 山东建筑大学硕士学位论文 凝土的材性1 5 4 , 5 5 1 、构件1 5 6 1 和结构 4 0 5 7 1 的受火性能及反应研究。 1 7 钢结构抗火设计方法的发展 随着人们对钢结构抗火设计认识的不断深化和结构抗火计算与设计理论研究的不断 深入，钢结构抗火设计的方法也在不断发展，可以大致分为以下四个阶段。 1 7 1 基于试验的构件抗火设计方法 这种方法以试验数据为依据，通过进行不同类型构件在规定荷载分布与标准升温下 的耐火试验，确定在采取不同防火措施( 如防火涂料) 后构件的耐火时间。通过进行一系 列的试验可确定各种防火措g g ( 包括同种防火措施不同防火程度，如不同防火涂料厚度) 相应的构件耐火时间。进行结构抗火设计时，可根据构件的耐火时间要求，直接选取对 应的防火保护措施。基于试验的构件抗火设计方法，简单、直观，应用方便。最初各国 的钢结构抗火设计均采用这种方法。实际上，我国现行建筑设计防火规范g b j l 6 8 7 关于钢梁和钢柱防火措施要求，也是基于这种方法。然而，基于试验的构件抗火设计方 法存在严重缺陷，这种缺陷源于对下列因素的影响很难加以考虑： ( 1 ) 荷载分布与大小的影响。比如，在荷载大小相同的条件下，无偏心的轴压柱的耐 火时间将比偏心受压柱的耐火时间长，荷载分布集中于跨中的梁，将比荷载分布集中于 支座附近的梁的耐火时间长；而在荷载分布相同的条件下，显然荷载越大，构件耐火时 间越短。由于实际结构的构件所受的荷载分布与大小千变万化，结构各构件的实际受载 状态与试验的标准受荷状态很难完全一致。 ( 2 ) 构件的端部约束状态的影响。炉火试验的一个很大的缺陷在于结构构件是作为一 个独立的个体或一个小型结构的一部分进行，这都不能代表一个完整的结构在真实火灾 中的反映。实际上构件在结构中受相邻其它构件的约束，构件的端部约束状态不同，构 件的承载力及火灾升温所产生的构件温度内力也将不同。 1 7 2 基于计算的构件抗火设计方法 为了解决基于试验的构件抗火设计方法存在的问题，钢结构构件抗火计算的理论研 究引起了很多研究者的重视，开展了大量的研究。利用有限元方法和经典分析方法，基 本上建立了能考虑任意荷载形式的端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种 方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家( 组织) 的钢结构设计规范采用。我国上海市标 准钢结构防火技术规程( d g t j 0 8 0 0 8 2 0 0 0 ) 也采用这种方法。 1 7 3 基于计算的结构抗火设计方法 结构的主要功能是作为整体承受载荷，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味 山东建筑大学硕士学位论文 着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数破坏将引起结构内力 重分布，结构仍具有一定的承载能力。当钢结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标的 时候，基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整 体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。 由于结构钢的导热性能较好，对其进行抗火分析时一般假设截面温度均匀分布，或 者采用线性分布的温度场，或者将截面划分为几个区域，每个区域内假设均匀分布。虽 然国外有些规范已经允许采用高等分析的方法进行抗火设计，但基本上还是以基于构件 的抗火设计为主。目前规范、标准中还没有给出适于工程技术人员的整体结构的抗火设 计方法。 为了方便设计者，在已有的试验和理论分析基础上，一些国家和地区把钢结构的抗 火设计纳入了自己的规范体系( e u r o c o d e 3 ，b s 5 9 5 0 等1 5 8 - 6 0 l ，给出了钢结构抗火设计 的简单计算公式。这些规范一般由材料的高温特性，火灾下空气温度的计算模型，热传 导模型和结构分析模型等几部分组成，这样设计者可以根据设计对象的具体情况直接套 用公式计算。虽然这些钢结构抗火设计规范主要还是采用单根构件的计算模型，但也允 许采用高等分析的方法来进行钢结构抗火设计。 1