消防工程学第09章.ppt

第9章钢结构耐火设计 9 1裸露钢结构的耐火性能9 2钢结构临界温度9 3钢结构耐火保护方法9 4钢结构耐火保护厚度计算 9 1裸露钢结构的耐火性能 钢材的高温力学性能钢材截面温度分布构件的截面系数构件的破坏过程 钢材的高温力学性能应力 应变曲线 钢材的高温力学性能应力 应变曲线 有效屈服强度20 即室温时屈服强度为钢材温度 钢材的高温力学性能应力 应变曲线 钢材的高温力学性能钢材截面温度分布 严格说来 钢材表面受到火烧时 其表面温度高 内部温度低 钢材的导热系数约为58W m 是混凝土的38倍 由傅里叶定律知 热流强度与温度梯度成正比 表明 当构件表面受热时 假设为常数 由于导热系数较大 热量很快可传到其内部 因而温度梯度很小 加之构件截面多为薄壁状 表面温度和内部温度相差无几 所以 钢结构耐火计算 不考虑温度梯度影响 认为构件内部温度均匀分布 钢材的高温力学性能构件截面系数 截面系数 构件单位长度内受火面积与其体积之比来表示构件的吸热能力 截面系数越大 构件越不耐火 钢材的高温力学性能构件截面系数 工 钢材的高温力学性能构件的破坏过程 9 2钢结构临界温度 临界温度 指当构件在火灾有效荷载作用下 遭受火烧达到极限状态时的温度 临界温度与构件承受的有效荷载的大小 形式 作用位置和构件的截面形式 受力状态 约束条件等有关 有效荷载 指构件在火灾时实际承受的重力荷载 钢结构临界温度 构件承受有效荷载而遭受火烧 当材料强度下降到作用下的时 构件截面破坏 此时构件的温度即临界温度 定义 令 则 钢结构临界温度 钢结构临界温度 由于钢材温度大于550 后强度很小 所以当求出的临界温度大于550 时取 当为一端固定 一端铰支梁时 当为两端固定梁或连续梁内跨时 其余所有构件 9 3钢结构耐火保护方法 截流法原理 截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输 从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度 喷涂法包封法屏蔽法水喷淋法 疏导法 允许热流量传到构件上 然后设法把热量导走或消耗掉 同样可使构件温度不致升高到临界温度 截流法 喷涂 喷涂法 用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面 形成保护层 喷涂的涂料厚度必需达到设计值 节点部位宜适当加厚 当遇有特殊情况时 涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网 以确保涂层牢固 承受冲击振动的梁设计涂层厚度大于40mm时粘结强度小于0 05MPa的涂料腹板高度大于1 5m的梁 截流法 包封 包封法 用耐火材料把构件包裹起来 包封材料有防火板材 混凝土或砖 钢丝网抹耐火砂浆等 当采用石膏板 蛭石板 硅酸钙板 珍珠岩板等硬质防火板材包封时 板材可用粘结剂或钢件固定 构件的粘贴面应作除锈去污处理 非粘贴面应涂刷防锈漆 当包封层数大于等于两层时 各层板应分别固定 板缝应相互错开 其距离不宜小于400mm 当用岩棉 矿棉等软质板材包封时 应用薄金属板或其它不燃性板材包裹起来 截流法 屏蔽 把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内 主要适于屋盖系统的保护 吊顶的接缝 孔洞处应严密 防止窜火 截流法 水喷淋 在结构顶部设喷淋供水管网 火灾时 自动启动 或手动 开始喷水 构件表面形成一层连续流动的水膜 从而起到保护作用 截流法 截流法 疏导法 在空心封闭截面中 主要为柱 充满水 火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水 依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走 构件温度便可维持在100 左右 从理论上讲 这是钢结构保护最有效的方法 该系统工作时 构件相当于盛满水被加热的容器 像烧水锅一样工作 只要补充水源 维持足够水位 而水的比热和气化热又较大 构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走 9 4钢结构耐火保护厚度计算 保护材料的性质及分类导热微分方程轻型干保护材料厚度计算重型或含水材料保护层厚度计算构件的截面系数计算示例 保护材料的热物理性质 防火保护材料的热物理参数应通过试验确定 这些参数一般都随温度变化而变化 在选定温度范围内 可取其平均值来计算 在火灾条件下 常用保护材料的热物理参数的近似值列于表9 1 当无实测条件时 可采用表中数值 保护材料的平衡含水率 保护材料的分类 满足上式时 为轻型材料 不满足上式时 为重型材料 其吸热能力较强 计算构件温度时应考虑保护层的吸热 保护材料的分类 满足上式时 为干保护材料 不满足上式时 为含水保护材料 计算构件保护层厚度时应考虑含水量的影响 导热微分方程 基本假设 保护材料外表面的温度等于试验炉内平均温度 由外部传输的热量全部消耗于提高构件和保护材料的温度 不计其它热损失 导热微分方程 由保护材料传入构件的单位长度内的总热量为 导热微分方程 单位长度构件吸收的热量为 材料吸收的热量为 由假定 2 导热微分方程 导热微分方程 重型材料 轻型材料 轻型干保护材料层厚度计算 轻型干保护材料层厚度计算 令截面 材料综合系数 给定耐火时间和构件的临界温度 通过计算机迭代可解出截面 材料综合系数 选定保护材料后 根据构件的截面系数 即可求出所需保护层厚度 轻型干保护材料层厚度计算 截面 材料综合系数 为了实际计算方便 将截面 材料系数与临界温度和耐火时间的关系列入表9 3中 以备实际设计时查用 选定保护材料后 根据构件的截面系数 即可求出所需保护层厚度 重型材料保护层厚度计算 当选用重型保护材料时 其吸热能力较大 不能忽略 可先按轻型干保护材料求出初定厚度 再按下式求出 为所求 应修正 重型材料保护层厚度计算 令 解得 含水材料保护层厚度计算 当选用含水材料作保护层时 温度上升到100 水分蒸发 吸收的热量大部分用于蒸发水分 而材料温度基本不升高 水分蒸发完后 材料温度重新上升 此后 升温曲线与干材料相似 此处滞后时间 滞后时间即水分蒸发所占时间 根据国外试验研究结果 可按下式估算 含水材料保护层厚度计算 含水材料厚度计算步骤如下 1 按轻型干材确定初定厚度 2 当时 为干材 即为所求 3 当时 对进行修正 4 求滞后时间 5 对原定耐火时间进行修正 用代替重查表 6 以修正后代入公式求厚度 重型含水材料保护层厚度计算 重型含水材料厚度计算步骤如下 1 按轻型干材求初定厚度 2 对进行吸热修正 求出厚度 3 对进行含水修正 求最后使用厚度 构件截面系数 当所用保护材料构造方式不同时 即有时采用周边包封 有时用周边喷涂 有时构件三面受火 如梁 柱一边靠墙 有时构件四面受火 这时 即使同一构件截面系数F V也不同 表9 4给出的常用截面的F V 设计时可直接查用 计算示例一 例 已知简支梁临界温度451 采用周边喷涂防火涂料的保护方法 W m 求耐火时间为90min时保护层厚度 型钢尺寸如下 解题步骤 1 防火涂料可按轻型干保护材料处理 2 查表求出截面系数 3 查表得出截面 材料综合系数 4 计算施工厚度 计算示例一 计算示例二 例 同上