钢结构抗火计算与设计第三章ppt课件.ppt

第三章建筑结构构件耐火极限与建筑构件的标准耐火试验 耐火极限的定义建筑构件耐火极限的试验条件试件要求试验装置 火灾发生地 返回 一楼储有大量的电器 橡塑制品以及烟酒 糖果 红枣 八角 木耳等副食品 衡州大厦 坍塌现场全景图 湖南省衡阳市 11 3 特大火灾坍塌事故 确定构件抵抗火灾的能力 即构件的耐火性能 耐火极限是建筑构件的耐火性能的主要指标 目前通过标准火灾试验来确定 建筑构件火灾试验的目的 构件的耐火极限 建筑构件的耐火极限是指构件在标准耐火试验中 从受到火的作用时起到失去稳定性或完整性或绝热性 隔火作用 止 这段抵抗火作用的时间称为构件的耐火极限 一般以h计 构件失去承载能力或抗变形能力 失去稳定性是指构件在试验过程中失去承载能力或抗变形能力 此条件主要针对承重构件 墙 试验中发生塌垮 则表示试件失去承载能力 梁或板 试验中发生塌垮 则表示试件失去承载能力 试件最大挠度超过L 20 则表示试件失去抗变形能力 柱 试验中发生塌垮 则表示试件失去承载能力 试件轴向压缩变形速度超过3H mm min 则表示试件失去抗变形能力 其中H为试件在载炉内的受火高度 单位以米计 如某钢筋混凝土柱 炉内的受火高度为3m 如其变形速度超过9mm min 则该柱失去抗变形能力 构件失去完整性 失去完整性是指分隔构件 如楼板 屋面板 门 窗 墙体 吊顶等 当其一面受火作用时 在试验过程中 构件出现穿透性裂缝 火穿过空隙 火焰穿过构件 使其背面可燃物起火 这时 构件将失去阻止火焰和高温烟气穿透或阻止背面出现火焰的性能 此时可认为构件失去完整性 构件失去绝热性 失去绝热性是指分隔构件失去隔绝过量热传导性能 在试验中 试件背火面测点的平均温度超过初始温度140 或背火面任一测点温度超过初始温度180 时 均认为构件失去绝热性 分隔构件耐火极限的判定条件 分隔构件 如隔墙 吊顶 门 窗等 当构件失去完整性或绝热性时 构件达到耐火极限 也就是说 此类构件的耐火性由完整性 绝热性两个条件共同控制 承重构件耐火极限的判定条件 承重构件 如梁 柱 屋架等 此类构件本身没有隔断火焰的作用 所以用失去稳定性单一条件来判断承重构件是否达到耐火极限 承重分隔构件耐火极限的判定条件 承重分隔构件 如承重墙 楼板 屋面板等 此类构件具有承重 分隔双重功能 所以构件在试验中失去稳定性或完整性或隔热性任何一条时 构件即达到耐火极限 它们的耐火极限由三个条件共同控制 见课本P44 建筑构件耐火极限试验 国家标准 建筑构件耐火试验方法 GB9978 88 规定 耐火极限的判定 分为分隔构件 承重构件以及具有承重 分隔双重作用的承重分隔构件 建筑构件耐火试验方法 规定了标准耐火试验必须遵循的升温条件 压力条件 约束条件 受火条件和试件要求等 只有按照这些标准试验条件进行试验 所得耐火极限才是可靠的 并与其他构件具有可比性 建筑构件的耐火试验 升温条件 火灾试验采用明火加热 试件受到与实际火灾相似的火焰作用 试验时 炉内温度的上升随时间而变化 其表达式为 建筑构件的耐火试验 升温条件 建筑构件的耐火试验 升温条件 A实际平均炉温曲线下的面积 B标准升温曲线下的面积 当t 10min时 要求d 15 当10 t 30min时 要求d 10 当t 30min时 要求d 5 炉温允许偏差及炉温均匀性要求 偏离温度 时间标准曲线的偏差值d由下式确定 面积A B的计算方法 试验开始10min内 时间间隔小于1min 在10 30min内 时间间隔小于2min 在30min以后 时间间隔小于5min 在此时间间隔下 把各间隔内温度曲线下的面积相加即得A B在头10min之后的任何时间内 对于不燃结构 炉温单点最大允许偏离标准曲线不大于 100 对于可燃结构 最大允许偏差不大于 200 建筑构件的耐火试验 升温条件 建筑构件的耐火试验 压力条件 水平构件 在试件底面以下100mm处的水平面上应保持10 5Pa的正压力 垂直构件 在试件2 3高度以上范围内应保持正压 在炉内3m高度 距试件表面100mm处应保持20 5Pa的压力 试验开始10min后 炉内应达到下述正压条件 注意 规定正压的目的是为了在炉内与试件背火面形成压差 便于测试试件的完整性是否破坏 承重构件的试验荷载 应按以下条件之一来确定试件的工作荷载 试件的设计荷载 试件的试验荷载 建筑构件的耐火试验 加载条件 对于不同构件 应按下述形式加载 墙 垂直加载 荷载沿试件的整个宽度通过加载设备均匀加载 楼板和屋面板 均布加载 其任何单点的荷载不得超过总荷载的10 梁 垂直加载 从梁端起 在总长度1 8 3 8 5 8 7 8处四点加载 加载点的最小间距为1m 该荷载应通过荷载分配板传送到梁上 板的宽度不得超过100cm柱 垂直加载 中心受压柱应从柱轴线方向施压 偏心受压柱 应偏心加载或中心加载和偏心加载相结合 加载形式 建筑构件的耐火试验 构件约束及边界条件 对非承重构件 当构件实际使用中不受边缘约束时 则在试验中试件边缘用无约束作用的材料密封 当构件实际作用中受边缘约束时 则在试验中试件边缘应能反映实际使用情况 对于承重构件 应能反映实际情况 建筑构件的耐火试验 受火条件 墙壁 隔板和门窗 一面受火 楼板 屋面层和吊顶 下面受火 横梁 两侧和底面共三面受火 柱子 所有垂直面受火 建筑构件的耐火试验 试件要求 结构 试件所用材料及制作与安装方法 应足以反映构件在实际中的使用情况 尺寸 试件应与实际尺寸相同 如果构件尺寸大于试验炉所容纳的尺寸 则试件在炉内暴露部分的尺寸不得小于下述规定 墙 3m高 3m宽 楼板及屋面板 四面支承 4m长 3m宽 梁 4m跨度 柱 3m高 数量 试件数量1个 如果构件约束 边界条件不同 则应按下述规定处理 墙 两侧都要求耐火的不对称构件 应分别对两侧受火进行试验 如果事先可确定一侧为受火弱面 也可只对弱面进行一次试验 楼板及屋面板 在实际使用中如约束条件不同 应增加相应试验 梁和柱 在实际使用中若端部约束条件不同 应增加相应试验 建筑构件的耐火试验 试件要求 养护与干燥 建筑构件的耐火试验 试件要求 建筑构件的耐火试验装置 包括耐火试验炉 燃烧系统 加载设备 测温仪器 测压仪器 变形测试仪器以及试验框架等 建筑构件的耐火试验工艺流程 1 油池 2 输油管 3 高位油箱 4 溢油管 5 油泵 6 送油干管 7 卧式炉油管 8 立式炉油管 9 喷嘴 10 风机 11 风管 12 卧式炉 13 立式炉 14 烟道 15 烟囱 16 烟道闸板 试验炉的燃料油从油池1用油泵5经输油管2打入高位油箱3 使用时 打开输油管7 8的阀门 油因自重流至喷嘴9 油在喷嘴里与风机10送来的高压空气混合 形成雾状进入炉内 点燃即可开始试验 燃烧产生的烟气由水平烟道14经过烟道调节闸板16由烟囱15排入大气 油和风供给量是通过阀门来控制 炉温可在大型显示牌上显示 并自动打印出来 火灾试验炉 火灾试验炉应满足试件最小尺寸 升温条件 压力条件以及便于试件安装与试验观察的要求 若要完成上述各种构件的火灾试验 实验室一般应包括四种耐火炉 立式炉 耐火试验炉 墙炉 主要用于竖向构件的火灾试验 如承重墙和隔墙等 这种构件是一面受火 耐火试验炉 柱炉 主要用于柱和墙的火灾试验 这种构件多是所有面均受火 耐火试验炉 梁 板 炉 耐火构件试验馆 墙炉 柱炉 墙板炉 墙板炉 防火门试验 正在进行防火玻璃测试 防火门试验 正在进行防火玻璃测试 建筑构件的耐火试验装置燃烧系统 构件火灾试验时 所耗热量是由燃烧系统燃烧燃料提供的 燃烧系统的功能直接影响到炉内升温条件和炉内温度的均匀性 燃烧系统是试验装置的重要组成部分 建筑构件的耐火试验装置燃烧系统 燃料的选择 天然气 煤气等气体燃料喷嘴的设置 应该小而多 且喷口要互相错开炉温控制方法主要是通过增减燃烧喷嘴的数量 调节喷嘴的油压及风压 调整烟道闸板的位置 建筑构件的耐火试验装置加载设备 对试件加载 应包括能模拟均布加载 集中加载 中心加载或偏心加载 建筑构件的耐火试验装置测量仪器 温度测量仪器 热电偶压力 变形测量仪器 压力传感器等 炉内温度测量试件被火面温度测量试件内部温度测量 气体压力测量试件变形测量 建筑构件的耐火试验过程 试件设计 安装及加荷试验的开始和结束测量与观察试验报告 标准升温曲线与等效爆火时间 国际标准组织制订的ISO834标准升温曲线 其表达式如下 升温段 降温段 美国和加拿大采用的为ASTM E119标准升温曲线 可近似地用下式表示 ISO834及ASTM E119两种标准升温曲线的区别不仅在于它们在各时刻对应的温度不同 而且它们所规定的实验炉构造和温度的测量方法也不完全相同 比较这两种标准火的严重性时 不能简单地只对各自对应时刻的温度进行比较 Harmathy等经过研究发现 ASTM Ell9标准火比ISO834标准火稍微严重一点 二 等效爆火时间 采用标准升温曲线可以给结构抗火设计带来很大方便 但标准升温曲线有时与真实火灾下的升温曲线相差甚远 为更好的反映真实火灾对构件的破坏程度 而又保持标准升温曲线的实用性 于是就提出了等效爆火时间的概念 通过等效爆火时间将真实火灾与标准火联系起来 等效爆火时间的确定原则为 真实火灾对构件的破坏程度可等效成相同建筑在标准火作用 等效爆火时间 后对该构件的破坏程度 构件的破坏程度一般用构件在火灾下的温度来衡量 最初 Ingberg 1928 从火灾传给构件的热量与火灾的温度和持续时间有关出发 认为当标准升温曲线与时间轴和时刻te所围成的曲线多边形的面积同真实火灾下的升温曲线与时间轴所围成的曲线多边形的面积相等时 时间te就是等效爆火时间 Harmathy等经过大量研究后发现 可以用作用在火灾房间壁面 楼板 顶板和墙壁 的 标准热荷载 来更精确地描述火灾的破坏力 通过真实火灾与标准火作用构件的 标准热荷载 相等来确定等效爆火时间 标准热荷载的定义如下 标准热荷载可采用下式近似计算 国际建筑研究与文献委员会 CIB 给出了将真实火灾等效成ISO834标准火时的等效爆火时间的计算公式 通风修正系数 对于且顶棚没有通风口的房间 对于其它类型房间 适用于 取较大值 第四章火灾下钢结构构件的升温 第一节传热学基本原理简介 火灾下 热空气向构件传热主要是辐射 对流 而作为固体的构件内部传热是热传导 一 钢构件内部的热传导 钢构件截面导热微分方程为 钢构件的升温边界条件实际是热空气对钢构件的热传递 空气温度在火灾过程中是已知的 二 热空气与构件间的传热 空气与构件间的热传递包括两部分 热辐射和热对流 1 热辐射 以热辐射方式从空气向构件传递的净热量为 2 热对流 以对流方式从空气向构件传递的热量为 第二节火灾下钢构件升温实用计算方法 一 钢构件升温计算模型 根据钢构件本身的截面特性 可将其分为轻型钢构件和重型钢构件 轻型钢构件可假定其截面温度均匀分布 截面上各点温度相同 而重型钢构件因为截面比较大 截面上各点温度还是不完全相同 据此可分为截面温度均匀分布钢构件和截面温度非均匀分布钢构件 一般根据单位长度构件表面积与体积之比F V来划分钢构件是轻型钢构件还是重型钢构件 但这也不是绝对的 有的构件截面F V虽然很大 但其截面受热不均匀 如钢梁上翼缘与混合楼板组合在一起 其截面温度仍然非均匀分布 仍需将其按重型钢构件分析 在实际工程中 有的钢构件表面没有隔热保护层 而大部分钢构件都有隔热保护层 因此我们又可将钢构件分成有保护层钢构件和无保护层钢构件 钢构件有些保护层质量很轻 相对钢构件来说 其自身吸收的热量可以忽略 称之为轻质保护层 另外 有些保护层自身所吸收的热量必须加以考虑 这种保护层称之为非轻质保护层 根据钢构件保护层的不同 其传热方式和温度分布可简化成不同的形式 对应有不同的实用方法来求其在火灾下的温度分布 二 截面温度均匀分布钢构件升温计算 1 无保护层 根据热平衡原理 用集总热容法建立热平衡方程 式中K 综合传热系数 通常以差分代微分的方法 用增量法求得上式的数值解 上式的增量形式如下 式中时间步长取值一般不应大于5s 求得ISO834标准升温条件下无保护层钢构件的升温表4 2 2 有轻质保护层 当构件的保护层的质量较轻时 在升温过程中 其本身吸收的热量相对于钢构件吸收的热量来说很小 忽略保护层吸收的热量对钢构件的升温计算没有多大的影响 通常 当保护层满足下式给出的条件时 即可认为是轻质保护层 空气通过热辐射和热对流向单位长度构件保护层表面传递的热量为 根据傅里叶导热定律 构件保护层表面向构件传递的热量为 一般远远大于 则近似有 式中时间步长的取值一般不应大于30s 可以得到有保护层钢构件在ISO834标准升温下的温度 见附表1 为便于工程应用 在常用的范围内 通过曲线拟合 得出如下标准升温条件下钢构件升温计算公式 3 非轻质保护层 保护层内的热平衡方程 边界条件保护层与空气接触面 保护层与钢构件接触面 求得有保护层钢结构温度非常繁琐 不适合工程设计人员应用 对于ISO834标准升温条件 将保护层热容的一