对钢结构抗火性能的认识.doc

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。国外对于火灾环境下钢结构的性能及结构响应的数值模拟起步较早，我国是自20世纪90年代才开始进行钢结构抗火研究的，虽然钢结构抗火方面研究的较晚，但是也有了很大进展，如火灾高温下结构钢的材料特性和钢结构的抗火性能试验研究。比较有代表性的是：同济大学李国强等在试验中模拟钢梁在结构中的约束条件，利用变形协调条件求出由约束产生的温度内力；赵金城指出采用与常温下相同形式的整体稳定公式计算高温压弯构件的缺点，并从高温下钢材的本构模型出发，忽略温度内力的影响，利用平衡条件建立了构件极限稳定分析的计算式。结构抗火设计应满足如下要求：结构抗火能力结构抗火需求。按照这一要求，结构抗火设计方法可分为：（1） 基于试验的结构抗火设计方法。结构抗火能力由标准结构构件的标准升温试验确定，结构抗火需求根据建筑的重要性及火灾的危险性，考虑构件的重要性，按构件以耐火时间的形式在规范中给出；（2） 基于计算的结构抗火设计方法。对传统方法中结构抗火能力的确定进行改进，考虑构件的受力大小与受力形式、构建的截面尺寸、构建的约束形式对构件抗火能力的影响，利用热传导理论和结构理论通过分析确定构件的抗火能力。20世纪80年代以前，国外均采用传统方法进行结构抗火设计，20世纪80年代到90年代英国和欧洲分别采用传统改进方法进行结构抗火设计。我国在现行的建筑设计防火规范和高层民用建筑设计防火规范中仍采用传统防火方法进行结构抗火设计，在2000年颁布的上海市标准建筑钢结构防火技术规程中，首次采用了传统改进法进行钢结构抗火设计；（3） 性能化结构抗火设计方法。对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求，另外考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度的模拟结构的实际抗火能力，因此是一种科学先进的抗火设计方法，关于结构抗火安全的性能化设计方法，这在国内是由同济大学较早倡导的。总的来说，目前的抗火设计方法还是基于构件层次的，构件的耐火极限要求也是基于建筑防火设计规范的要求确定的，而一个结构构件的破坏并不能代表整个结构的破坏，按照建筑防火设计规范确定的构件耐火极限不能完全反映建筑的火灾特性。空间特性和结构特性的影响也不能满足建筑结构可靠性和最优成本的要求，对于大跨度建筑物尤其如此，因此有必要基于建筑物的整体安全目标确定结构的抗火设计要求，对结构进行基于性能目标要求的抗火设计。结构的主要功能是作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏只会引起结构内力重新分布，结构仍具有一定的承载力，而目前的研究工作对火灾下整体结构的结构反应、承载能力和破坏特性还缺乏深入且系统的研究。对于钢结构的抗火性能理论研究，大部分工作还集中在用数值方法模拟火灾下结构的反应，其实质问题是结构非线性反应分析问题，分析中涉及材料的特性随火灾温度的变化、热膨胀的效应。构件截面温度不均匀分布、材料非线性和几何非线性等问题。目前的文献主要是利用有限元方法分析平面框架和框架梁柱连接处在火灾环境下的反映过程，计算中以切向刚度阵为基础，考虑了非线性以及升温引起的材料性能降低和热膨胀在截面上的不均匀分布。国内对火灾环境下钢结构的数值模拟方面具有代表性的研究成果主要是：李国强等人基于试验的基础上提出了广义Clough模型，并考虑了材料非线性、几何非线性以及梁截面上温度不均匀分布，采用增量分析方法研究了高温钢结构的整体响应。而结构抗火研究的主要发展方向是对整个建筑结构在火灾中的反应进行分析，及对结构在火灾高温作用下进行整体的三维分析，并考虑构建的半刚性、刚性连接。混凝土楼板的协同作用的因素的影响。但由于结构抗火分析是一个温度剧变的过程，包含有温度作用、物理非线性和几何非线性等因素耦合，其计算量非常巨大，同时对分析结果数据的筛选、整理和分析本身也是一项艰巨的任务，因此如何对整体结构的三维抗火性能进行数值模拟还是值得研究的问题，对于整体结