高层建筑钢结构技术的相关

1、题 目高层建筑钢结构技术的相关概述 姓 名 学 号 授课教师 2012年6月5日高层建筑钢结构技术的相关概述摘 要：钢材具有材质均匀、塑性和韧性好、强度高、自重轻、制造周期短、施工速度快、造型美观、可塑性强、符合可持续发展政策等优点，因而在现代建筑中的应用越来越广泛。钢结构抗震性能优越，如何采取合理的设计方法发挥这种优势值得大家投入精力。另外，钢材耐腐蚀性差、耐热不耐火、低温下会发生脆性断裂。这些不足之处设计人员应该在设计中采取相应的措施加以避免。关键词：高层；钢结构；抗震；防火A description of the High-rise steel structure technologyA

2、bstract: Steel has many advantages, which makes it more and more important in the building of modern constructions. The mechanical property of steel is uniform; it can perform well after it is yelled. High strength to weight ratio, less time needed to produce and constriction, easy to be transformed

3、, environmental friendly, all of this are the inherent advantages of steel. Steel structure performs well in earthquake, so it worth to put full word to study the method of anti-seismic design. Also, steel has disadvantages, such as, easy to corrosion, cant stay long in fire, brittle rupture in cryo

4、genic environment. Designers need to take measured to prevent those disadvantages.Key word: High-rise buildings; Steel structure; anti-seismic design; Fire prevention1前言由于经济和技术的原因，我国80年代前还没有钢结构建筑。80年代中期，由于外资工程的兴建、建筑用钢材的发展，高层钢结构建筑开始在我国出现。1985年，我国兴建了第1幢高层钢结构建筑“深圳发展中心大厦”。此后，随着改革开放的深入和经济的发展，高层钢结构陆续在深圳、上

5、海、北京等地建成。已建成的上海金茂大厦（88 层，421m高 ）和环球金融中心（101层，492m高）使我国的高层建筑进入世界前列。与此相适应，我国在高层钢结构的科学研究、设计软件的编制、设计能力及各项配套的工艺方面均取得较大的进展，在钢结构的制作及安装方面的国产化已具有相当水准。钢材在材料性质上与混凝土存在很大的不同，从而导致钢结构建筑与钢筋混凝土结构的建筑存在很大的差异，钢结构主要具有以下几个优点：11、钢材材质均匀钢材的机械性能和力学计算的假定比较符合，其内部组织接近于各向同性，材质波动范围小，为理想的弹性材料，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的，实际受力状态和工程力学计算的结果比较

6、符合2、钢材的塑性和韧性好钢结构在一般条件下不会因超载而突然发生断裂现象，钢材能够将局部高峰应力重新分配，使应力变化趋于平缓，仅会增加应变值。同时，由于钢材具有良好的塑性和韧性，对动力荷载的适应性强，在地震作用下通过结构的弹塑性变形能够较多地吸收地震能量，从而大大提高钢结构的抗震性能。而且，地震作用下钢结构会出现塑性铰，建筑的抗侧刚度会下降，结构自振周期会变大，相应的地震反应系数会下降，地震反应变缓，能够有效的改善结构的抗震性能。从实际的震害调查中也可以看到，全钢结构的震害很轻，即使是在震中附近的高烈度区也是如此。3、钢结构强度高、自重轻钢结构强度高，与混凝土结构相比，同等荷载情况下，钢结构柱

7、截面面积小，从而增加建筑的有效使用面积。和用于建造荷载很大的高大或重型建筑相比，一般高层钢结构柱的截面面积比高层混凝土结构柱的截面面积减少近一半。钢结构建筑自重轻，约为同层高度混凝土结构建筑自重的1/23/5，可以使基础的造价降低。这个优势在南方的软土地区尤为明显。4、钢结构的制造周期短、施工速度快钢结构大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可以全天候作业。由于钢结构本身可以作为劲性结构承担结构荷载和施工荷载，施工时不必支模、拆模，因此不仅降低成本，而且大大加快施工速度。钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的1.5倍左右。5、钢结构造型美观，可塑性强相对于其他形式而言，钢

8、结构建筑可以极大程度地超越结构的束缚，创造多种形式的空间和形象，产生轻盈灵巧、通透的效果。斜线、曲线作为钢结构建筑一种常用的造型手段，创造出许多新奇、优美的建筑形象，其强大的造型潜力是砖混结构所难以企及的。新建的央视大楼就是个中典型。5、钢结构建筑符合可持续发展政策钢结构产业是一项绿色环保建筑产业，它对资源、能源的利用相对合理，对环境破坏相对较少，是解决环境问题的突破口。钢材是一种具有很高的再循环价值材料，边角料都可以回收利用。对同样规模的建筑物，钢结构建造过程中有害气体的排放量只相当于混凝土结构的65% 。钢结构为干施工，很少使用砂、石、土、水泥等散料，从而从根本上避免了尘土飞扬、废物堆积和

9、噪声等污染问题。正是由于钢结构优越的特点和经济优势，因而被广泛地应用于各种工业和民用建筑之中，取得了较好的综合经济效益，如各种类型的工业厂房，大跨度场馆建筑，多层、高层建筑和各种高耸构筑物，轻钢结构的住宅建筑、油罐、海上采油平台等板壳结构及其他特种结构。钢结构抗震性能好，但是配套的理论设计方法还需要进一步完善。钢材耐腐蚀性差、耐热不耐火、低温下会发生脆性断裂，这些不足之处也需要采取必要的防护措施加以弥补。2抗震设计2.1高层建筑钢结构抗震研究现状结构的抗震设计有两类途径，一类是对外荷载实现联机跟踪和预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性，这就是通常所说的主动控制方法；另一类是通

10、过改善结构本身的特征，实现对结构模态变量的控制或优化，改变结构的动力特性。2我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，通常选取结构的动力相应应力特别是拉应力为抗震设计时的控制指标；但历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能承受的变形能力，因此在20世纪90年代，美国学者提出了基于位移的抗震设计以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用下的变形要求。我国是以振型分解反应谱法为基础进行结构抗震计算的，由大量地震反应谱的统计平均确定。尽管地震反应谱的计算理论是经典的，只要地震记录准确，获得的地震反应谱也将准确，但是长周期下对应的地震反应谱的取值

11、不是很准确。而高层建筑钢结构自振周期较大，地震反应谱长周期段的错误对高层钢结构建筑的影响将不能忽略，因此对于长周期段的地震反应谱还需要更深的研究。另外，钢结构阻尼小，按现行抗震规范的计算方法，在考虑结构延性以后地震作用力减小的同时又因阻尼比降低而加大。上述两个原因使得钢结构用钢量偏高。2.2 高层钢结构罕遇地震分析中的几种计算机技术3使用非线性有限元方法进行弹塑性动力时程分析是防止高层建筑结构在强地震作用下倒塌的有效手段对于较高和重要的高层建筑结构，我国建筑结构设计规范建议进行弹塑性时程分析以了解结构的抗震性能但是，在实际的高层建筑结构设计中，进行可信、有效的非线性动力时程分析仍是十分困难的，

12、主要表现在:(1)对结构的倒塌机制，地震作用机理的认识有待进一步深入，抗震分析方法有待进一步改进。(2)缺乏准确而高效的分析工具。虽然各种通用有限元软件功能日益强大，但进行专业性很强的结构倒塌分析仍有其不足之处，开发专业性分析软件仍十分必要。(3)资源耗费量庞大大型复杂结构的自由度数通常在104以上，进行非线性动力时程分析不但需要耗费大量的计算时间和存储空间，还要采取特殊的存储和数值计算方法。面向对象的有限元技术、结构分析的可视化技术、数据库技术、稀疏矩阵存储和求解技术应用于高层建筑结构非线性动力分析，使得高层建筑结构的罕遇地震分析方法实用而高效。2.2.1面向对象的有限元技术自从1990年F

13、enves首先提出面向对象有限元方法(Object Oriented Finite Analysis Method)以来，面向对象有限元技术受到了广泛的关注和研究。但多数学者着重于方法论和矩阵类库的构建上，将面向对象有限元方法应用于实际的高层建筑结构罕遇地震非线性动力分析中，取得了较好的效果。本文从“封装”、“继承” 、“多态”等面向对象基本特征出发进行了高层建筑结构非线性动力分析程序的系统构建，克服了以往结构化编程方法的一些缺点和局限性，具体实现过程如下：首先，要建立有限元分析的求解域，即对有限元求解域进行“封装”。本文非线性动力有限元分析包含的基本元素和计算方法可以划分为如下图所示的类结构

14、，其中节点类封装了节点坐标、节点位移、节点自由度等成员变量；节点角位移修正，形成节点方向矩阵等成员函数单元类封装了单元刚度、质量、阻尼矩阵等成员变量；形成单元刚度、质量、阻尼矩阵，计算单元内力、应力等成员函数。方程求解器类封装了总刚度矩阵、总质量矩阵、总阻尼矩阵、荷载矩阵、位移矩阵等成员变量；子空间迭代求解结构模态，位移增量法或弧长法确定荷载增量，NewtonRaphson迭代法求解非线性方程，NewmarkB法求解动力微分方程等成员函数。矩阵类封装了矩阵的加、减、乘、除、转置和求逆等矩阵运算这种面向对象的系统构建使得“有限元类”的“成员变量”对于外界来说是不可见的，任何改变只能通过“成员函数

15、”这一接口来实现这样就在很大程度上避免了数据与操作交织在一起可能造成的混乱，程序的编制、维护、扩充和重复利用也因此而变得轻松。“继承”使得有限元分析的体系结构得以建立，例如具备弹塑性性质的“弹塑性梁单元类”可以从“梁单元类”派生得出，它不但继承了粱单元的所有特性，并且具有其自身特有的成员函数和成员变量。“多态”使得面向对象方法更加灵活，在C+中“多态”的实现是通过“虚函数”来实现的。本文的“板单元类”、“桁架单元类”和“梁单元类”等单元类型都是从“单元类”派生得到。由于所有的“单元类”都具有“形成单刚”成员函数，所以在 “单元类”中定义一个纯虚函数“形成局部坐标系下的单刚”；而在“板单元类”、

16、“桁架单元类”和 “梁单元类”中进行该函数的实际定义。这样只要告诉程序“形成单元局部坐标系下的单刚”，程序通过“后期联编”自动识别是哪种单元，并且自动调用相应的成员函数。2.2.2 DAO数据库技术数据管理方式的高效、易用是高层建筑结构非线性动力分析实用化的重要方面，本文采用的DAO(Databases Access Object)数据库管理方式不但存取、查询数据的速度快，而且与整个系统的面向对象构建能够很好的对应。使得整个分析过程的前、后处理和核心计算的数据结构能够达到数据的统一。在有限元分析中应用数据库技术可以首先建立与数据存储有关的表类，包括：控制表类(CCo- ntrolSet)，节点

17、表类(CNodeSet)，单元表类(CEle- mentSet)，材料表类(CMaterialSet)，实常数表类 (CConstantSet)，荷载表类(CLoadSet)等等。建立了这些表类之后就可以在有限元分析的前、后处理和核心计算模块中进行数据的有序存储和调用了。本文用到的MFC(Macrosoft Foundation Class)类库封装的DAO类包括，通过CdaoDatabase对象建立数据库，生成记录集对象CDaoRecordset进行查询、删除、更新等工作，表结构信息对象Cd-aoTablelnfo用于改变数据库的结构字段定义对象，CDaoField lnfo来进行获得、改变

18、数据库表结构。2.2.3稀疏矩阵求解技术高层建筑结构非线性动力分析所涉及的刚度、质量、阻尼、力矩阵的规模是十分庞大的。以两千个节点的结构为例，如果不加任何处理，其总体刚度矩阵所占内存将在100M字节以上。这是无法令人承受的但是这些矩阵有一个共同特点是稀疏的，也就是说这些矩阵的零元素占到整个矩阵的80以上通常的节省系统资源的方法是使用半带宽求解技术使用半带宽求解技术可以在很大程度上减小矩阵的规模，但是一方面会降低求解的效率，而且所节省的系统资源也是有限的。解决问题的最好方法是采用稀疏矩阵算法。稀疏矩阵的使用表现在两个方面，一方面是稀疏矩阵的存储。另一方面是稀疏矩阵方程组的求解可以使用链表的形式对

19、稀疏矩阵非零元素进行存储稀疏矩阵方程组的求解不同于普通方程组的求解，以非线性方程组的求解为例，应用修正的NewtonRaphson迭代求解非线性方程组时，实际上是进行了分步线性化因为需要迭代，同一稀疏线性方程组要求解多次，并且只改变右端项，或每次仅改变稀疏矩阵的非零项，而稀疏矩阵的格式不变因此，在这类问题中应用稀疏矩阵解法，不仅可以减小系统资源的占用，而且可以明显的提高计算效率实践表明，稀疏矩阵的应用使得系统资源耗用显著降低，求解速度显著加快。结构的规模越大，系统自由度越多，稀疏矩阵的优势就越明显。使用一些现有的稀疏矩阵运算软件包是比较方便的实现稀疏矩阵算法的选择。ISIS+， YSMP， S

20、MMS，Matlab C+Library等等很多软件包都实现了对稀疏矩阵的操作尤其是一些面向对象的软件包如Matlab C+Library使用起来十分方便，使用者不必知道过多的理论细节就可以完全利用稀疏矩阵算法的各种好处，这从一个方面也体现了面向对象方法用于有限元分析的巨大优势。2.3高层建筑钢结构抗震研究展望国际上公认的结构抗震设计原则是“小震不坏，大震不倒”。为防止高层建筑钢结构在罕遇地震作用下严重破坏(如产生较大层间残余变形)或倒塌，需进行结构地震反应分析，验算结构的极限变形。而进行结构弹塑性地震反应计算需解决的关键问题是，结构构件的恢复力模型和整体结构的弹塑性分析模型。实际地震地面运动

21、总是多维的。由于结构刚度偏心或质量偏心及扭转地面运动的影响，建筑结构的真实地震反应通常表现为平扭耦合振动形式。多维地震作用和平扭耦合振动，均使得高层建筑钢结构的地震反应为空间形态。高层建筑钢结构弹塑性地震反应分析，是国际上工程结构抗震研究领域难度很大的前沿课题。3防火设计2001年9月11日上午，发生了让世界震惊的“911”事件。著名建筑师山崎实在纽约的标志性建筑世界贸易中心成为恐怖分子袭击的目标，两架空中客机撞击了贸易中心的两座塔楼，一个小时后，两座塔楼先后垮塌，这座著名的高层建筑灰飞烟灭，这个高层钢结构的倒塌在建筑界引起了极大的轰动，钢结构的防火成为一时的话题。以钢结构为主的金属结构的崛起

22、与发展，全新的结构形式、材料特性使建筑防火遇到新的挑战。传统的砌体与钢筋混凝土结构本身就是耐火结构，与它们不同的是，钢结构构件本身不是耐火构件，不加保护的钢结构构件的耐火极限仅为1020 min，因此钢结构的防火设计成为安全设计的主要问题。3.1结构构件在火灾条件下的破坏机理火灾发生时产生的热量是以辐射和对流传给结构构件的，即使构件是不燃的，由于温度上升也会引起膨胀和强度的降低。热膨胀引起构件伸长，或两侧受热不均时引起构件弯曲，产生位移或约束力，在刚性框架结构中，由于横梁伸长而产生的约束增大，可能把柱子从其承载处推开，使结构受到破坏，引起垮塌。钢结构构件在温度升高时，强度会降低钢结构构件在达到

23、屈曲强度时会有很大的塑性变形，肉眼很容易观察。很多研究成果表明，当温度不超过600时，在恒定荷载作用下，钢材的变形过程可以考虑为不依赖于时间的过程，其徐变的影响可以包括在应力-应变关系中(图2是高温下屈服强度为255 N/mm2钢材的应力-应变曲线)。在最低温度20时，承受240 N/mm2左右的应力时应变为2.54mm；在临界温度600时，同样应变为2.54mm时，只能承受约30 N/mm2左右的应力，相差了约7倍。因此，高温时钢结构构件的受力状况十分不利，防火设计是钢结构的结构和构造设计过程中十分重要的一环。3.2钢结构抗火设计方法的理论阐述钢结构的“抗火设计”是结构设计的专业用语，将抵抗

24、火灾与抵抗重力、抵抗风荷载、抵抗地震作用相提并论，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多而满足受力要求来实现，强调的是结构抵御火灾影响(包括温度应力、高温材性变化等)，需要考虑荷载与约束条件，此时火灾是一种结构荷载，影响承重构件的尺寸和构造 总而言之，“抗火设计”可以归结为设计 “结构防火”保护措施，使构件在承受确定外荷载条件下，满足“结构耐火”时间要求。这些要求是钢结构防火设计规范制定的基础。以下是抗火设计的几种方法：1)基于试验的构件抗火设计：一种简单、直观的方法，通过对不同构件(梁、柱)在规定荷载分布和标准升温条件下进行耐火试验，确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间。

25、我国现行建筑设计防火规范(GBJ6-87)中关于钢粱和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。由于无法考虑荷载分布与大小、构件端部约束状态的影响，此法有很大的缺陷，是最基本的、最原始的方法。 2)基于计算的构件抗火设计方法：以有限元或经典解析分析方法为主，进行理论研究，考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计。上梅市标准钢结构防火技术规程即采用此法。 3)基于计算的结构抗火设计方法：以防止整体结构倒塌为目的，基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计。此法尚未有适于工程实用的方法被有关规范采纳。 4)考虑火灾随机性的结构抗火设计方法：概率可靠度是现代结构设计中不可或缺的因素，结构抗火的概率

26、可靠度设计必须考虑火灾与空气升温的随机性。这涉及到另一门学科的研究，有待发展。 以上考虑的是通过结构设计的途径来设计金属结构的抗火能力，然而改变不了金属结掏本身不能抗火的事实，也许随着材料工业的发展，这个问题能得到最终的解决，但不是现在，现在的金属结构仍要依靠不同的外在保护措施才能达到对它的不同耐火极限的要求。3.3钢结构的防火保护措施现有的钢结构防火保护措施有很多种从原理来分主要可以分为屏蔽型和涂料型 这两种方法都是外保护的措施，原理很简单但难免有治标不治本之弊。 1、屏蔽型防火 屏蔽型防火的原理是通过将金属构件用耐火材料与火源隔断，从而保护钢构件。从建筑构造的角度看有以下几种常见形式： 1

27、)在一些特殊的部位设置防火屏障，将火源隔开，起到防火墙的作用(图3)。如：钢梁下安装防火平顶、钢柱外侧设置一定宽度的防火板等，可以省却钢桁架、钢桁架等的防火保护层。在室内防火处理时，有时可以采用这种方法将火灾发生频率高的防火分区与主要结构构件隔离开。另外，在很多现代金属建筑中有一种结构外露的现象，除了展现结构与构造节点的力量美之外，在防火方面也很有益处。金属构件置于围护结构的外围。并保持一定的距离，当火灾发生时金属构件可以免受火焰的作用，隔墙板则可以起到隔热的作用，而且在发生火灾的情况下外部空气保证了自然通风，起到了自然冷却金属构件的作用，也是一种变相的防火屏障。2)使用馄凝土与耐火砖完全封闭

28、钢构件。混凝土与砖是天然的耐火材料，它们本身具有耐火性能，根据厚度的不同耐火极限也不同，因此可以使用混凝土或砖来包裹钢构件，使钢构件达到一定的耐火极限。上海浦东的世界金融大厦的钢柱即采用这种方法。但是，混凝土与砖的耐火极限随着厚度的增加而增加，因此采用这种防火措施的钢构件通常身材睫肿占地较多，同时在一些构件上的施工也较为困难，特别是钢梁、斜撑等构件。同时也不利于材料的经济节约，在要求达到通透轻盈效果的钢结构建筑中，采用这种保护方法是很困难的。 3)采用耐火轻质板材作为防火外包保护层。耐火轻质板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸钙、蛭石、陶瓷纤维、岩棉、砾石这些耐火、无毒的物质，加工成板材以后，通过

29、不同的构造方法制成保护层。有采用软性的陶瓷纤维毡缠绕在钢构件上的，有使用掺无机纤维硅钙板、蒸压轻质混凝土板、无机纤维强化石膏板、挤压成型水泥、预制混凝土板直接贴敷的。2、涂料型防火涂料型防火的原理较为简单，通过涂抹耐火的涂料来抵抗火焰。通常防火涂料分为两种：薄型和厚型，也可以说是膨胀型和非膨胀型1)薄型涂料(膨胀型涂料)：涂膜厚度为12 mm。常温下较稳定。火灾时受热起泡、膨胀数十倍，形成隔热性能极佳的碳化层，保护钢构件不受火灾的毁损。这种耐火材料制成的保护层很薄，色彩多样装饰性能极佳。适合于结构外露的金属建筑，有助于展现金属构件的力量美。薄型耐火涂料的构成很简单。经过对钢构件的基底清理和涂完

30、防锈漆(底漆)之后，涂刷具有耐火性的耐火底衬(中间涂层)。接着涂敷外保护层(外饰层)就可 了。耐火底衬在常 温下稳定。一旦受热就会起泡和膨胀，形成含有气态成分的、绝热的碳化层 耐火底衬由四种材料制成：触媒，通常是聚磷酸铵；碳素源及碳水化台物等；树脂或粘结剂；发泡剂 受热时。碳素源与从触媒放出的无机酸相结台，形成碳化层，在粘结剂溶化的同时，发泡剂发生分解，产生二氧化碳、氨、 水蒸气等气体。粘结剂变成泡沫状，将碳化层鼓起，形成 到漆膜原有厚度几十倍的含有气态的绝热层。耐火底衬的漆膜厚度的大小决定了金属构件不同的耐火时间。最近，从有关资料获悉，有一种高强混凝土也可以用来做钢结构的防火涂料，它的厚度相

31、当于薄型防火涂料的厚度，依靠混凝土自身的耐火强度来支持钢结构，可以使用喷涂法施工。2)厚型涂料(非膨胀型涂料)：主要为无机绝热材料，受热不膨胀，自身有良好隔热性，涂层厚度不等，可有750mm，对应耐火极限为0.53 h以上，以蛭石、珍珠岩、矿物纤维为主要绝热骨料，分为干、湿法施工，现在也有混合施工法。另外，还有其他的一些防火措施，如：水冷却法，即在空心截面的钢柱内充水，与设在高处或顶部的水箱相连，形成封闭的冷却系统。受热时，钢柱内部产生水循环，将热量带走，但是这种方法需特殊的结构设计，比较复杂，很少使用。美国匹兹堡的美国钢铁公司大厦就使用了这种防火方法。3.4对于钢结构防火的一点认识在不断研究

32、开发出新的防火板材材料的同时，研究可以耐火的钢材是全世界从事钢结构研究的工程师们共同努力的目标。1）采用不同的防火极限 火灾的发展状况通常是通过火灾标准实验得到的 在钢结构的建筑中，同一种建筑类型可以采用不同的防火极限。对于可燃物少的建筑和空同大的房屋，不是依据标准的火灾加热法来测试，而是根据可能设定的、与用途相吻合的加热条件来测试，可以相应降低钢结构构件的保护层厚度。 2）对建筑物进行耐火设计根据建筑物火灾的规定、建筑的使用材料以及施工方法等的不同对建筑进行单体评估。通过对火灾温度和发生时间、钢材温度和相关时间的测定以及对构件及结构的承载力、变形和相关时间的测定来评测钢材的温度、结构的变形是

33、否满足要求。3）被动防火与主动防火的结台 在钢结构防火设计中考虑主动的防护保护措施，如喷水装置。在一栋发生火灾但未失稳的建筑物里，致命的危险是烟而不是火，喷水装置可以切断烟气有效的保障生命 在英国卡丁顿进行的一系列大型钢结构建筑的火灾实验堪称世界上最大规模的火灾实验，包括一栋八层钢结构建筑物，它的结果可能导致新的防火规范的产生。在实验中，发现标准构件和实际结构构件的变形有很大的出入 标准实验中，梁的温度达到 700就可以引发1/30梁跨的挠曲，而在实际实验中梁的挠曲是标准实验的3/4，证明建筑结构的耐火性能较单独计算构件的耐火性更好。同时，实验结果表明柱子是结构安全最重要的构件，而且当梁的温度

34、达到1 100几乎失去承载能力时，金属复合楼板尽管已经变形但没有倒塌，使建筑结构的耐火性大大超过当前的假设。在钢结构火灾的设计与防护方面将有更大的发展，陈了钢材本身成分的改变成为耐火钢以外，还将通过结构计算的处理让钢结构在火灾时发挥最好的承载能力。3.5 现行结构抗火设计方法的不足当前国内外建筑结构抗火设计规范 一所采用的方法是根据建筑物类别定出耐火等级，然后根据耐火等级规定结构构件的耐火极限。结构设计者则根据结构的极限状态，计算火灾下结构的耐火时间是否符合规范规定的耐火极限要求。然而，随着人们对结构抗火提出的更高要求，现行规范体现出以下不足5： (1)结构耐火极限要求主要考虑了发生火灾的危险

35、性、建筑的重要性和结构构件的重要性，未从人员安全逃生及结构性能要求的角度，考虑综合经济及生命损失最小的目标； (2)结构的耐火时间基于IS0834升温曲线确定。而现有的研究表明，真实火灾与火荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关，ISO834曲线并不能反应火灾的真实情况； (3)以单独构件是否达到火灾下的极限状态来确定结构的耐火时间，因未考虑整体结构中构件的相互影响，因而是不真实的； (4)传统的结构抗火设计是一种格式化的设计方式，规范对特定情况下的结构抗火设计要求作出了明确的规定，设计人员仅限于被动的选择。3.6 结构抗火性能化设计基本思想由于建筑物千变万化，而建筑抗火设计要求本质上可各

36、不相同，因此传统的结构抗火设计科学性还不强，即有时会偏于保守，有时又会不安全。而结构抗火性能化设计不明确规定某项解决方案，而是确定设计目标及能达到要求的可接受的方法 。下图给出了结构抗火性能化设计的一般层次化结构，包括设计总体目标、功能目标、性能要求及认为合适的各种解决方案与方法。3.7 结构抗火性能化设计的总体目标与功能目标1、总体目标 建筑钢结构抗火设计的总体目标是： (1)不致因结构破坏影响建筑内人员的逃生及消防人员灭火； (2)不致因结构破坏使建筑火灾损失更大。 2、功能目标 为满足总体目标的要求，建筑钢结构抗火设计的功能目标包括： (1)某些部位的结构构件或子结构及结构整体在火灾发生

37、后的一定时间内不能坍塌，以保证建筑内的人员有足够的时间逃生，并使消防人员有足够的时间灭火； (2)某些部位的结构构件或整体结构在火灾下不能产生影响继续使用的变形或倒塌，以使火灾后结构的功能能尽快恢复，以减小建筑火灾的间接经济损失，使建筑火灾总的损失最小。 3.8结构抗火性能化设计的性能要求 1、 与功能目标1对应的性能要求 性能要求A：结构某些部位的构件在火灾发生后一定的时间t 内，应具有足够的承载力。性能要求B：结构某些部位的子结构在火灾发生后一定的时间t 内，应具有足够的承载力。性能要求C：整体结构在火灾发生后一定的时间 t 内，应具有足够的承载力。 2、与功能目标2对应的性能要求 性能要

38、求D：结构某些部位的构件或整体结构，由火灾产生的残余变形不能超过一定的限值，以减小建筑火灾的间接经济损失。使建筑火灾总的损失最小。由钢结构设计的适用性要求，残余变形的限值建议为：主梁 1/400次梁 1/250 柱 h/300 其中，l 为梁的跨度，h为柱的高度。3.9 结构耐火时间t1t3的确定t1 与t2的确定 性能要求A与B的主要目的是保障建筑物内人员有足够的时间逃生。设火灾中建筑物内人员逃离建筑物内某一区域所需时间为T1，则该区域内所有构件及子结构的耐火时间应不小于T1，见下式。t1，t2T1可见，不同区域构件的耐火时间t1和t2的要求不同。对于高层建筑，低层部位构件的耐火时间应大于高层部位构件的耐火时间；而对于大跨度建筑，近出口处构件的耐火时间应大于远离出口处构件的耐火时间。 t3的确定 性能要求C的目的，除需保障建筑物内人员有足够的时间逃生外，尚应保障消防人员有足够的时间到达现场灭火。设建筑物内全部人员逃生所需时间为T2 ，消防人员到达现场且能控制火势所需时间为T3。则 t3max(T2，T3)3.10性能要求D的目标性能要求D是经济最优要求，设结构防火成本为 P，结构受火破坏修复所需成本为R，结构受火破坏造成建筑功能丧失引起的间接经济损失为L，则性能要求D的目标要求见下式。G=min(P+R+L)显然，结构受火