建筑结构抗火设计PPT（69页）

1、27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计 学习目的 了解火灾发生、发展及其对结构的影响； 了解建筑防火的主要技术措施； 了解结构构件抗火设计的一般步骤； 掌握混凝土、钢筋、结构钢的高温性能； 了解建筑物的耐火等级； 了解构件和结构的耐火极限及其主要影响因素； 掌握钢筋混凝土轴心受压构件、受弯构件、偏心受力构件在高温下的受力特点和承载力计算的基本方法； 了解轴心受压钢构件、钢梁、钢柱在高温下的受力特点和计算方法建筑结构抗火设计7教学要求 分析

2、火灾及其对结构的作用； 讲述建筑材料和结构构件在高温下主要力学性能和受力特点的变化； 建立钢筋混凝土结构构件和钢结构构件抗火设计的主要思路和基本方法建筑结构抗火设计7福建森林大火西藏森林大火美国加州森林大火加拿大森林大火火灾事故的介绍中央电视台新址火灾现场哈尔滨双子大厦火灾现场火灾事故的介绍美国911事件火灾现场火灾事故的介绍上海商学院宿舍火灾现场中央美院宿舍火灾现场火灾事故的介绍27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计一、火灾危害全世界每

3、年的火灾经济损失可达整个社会生产总值的0.2。火灾除了造成直接损失外，间接损失一般是直接损失的3倍。亿元火灾及其成因7.11.建筑火灾对结构的破坏木结构：可燃结构本身燃烧，截面减小至破坏。钢筋混凝土结构或钢结构： （1） 在高温下，强度和弹性模量降低，造成截面破坏或 变形较大而失效、倒塌。 （2） 高温下，钢筋屈服应力下降引起截面破坏。 （3） 混凝土强度和弹模随温度升高而降低。 （4） 构件内温度梯度，造成开裂变形。 （5） 构件热膨胀、开裂，使相邻构件产生过大位移。 二、 建筑火灾火灾及其成因7.12.火灾的发生和发展建筑物起火的原因：使用明火不慎；化学或者生物化学作用；电路短路；恶意纵火

4、等。火灾发生的3个必备条件：(1) 燃烧物的存在；(2) 持续供氧；(3) 着火源。建筑室内火灾发展的3个阶段：(1) 初期增长阶段；(2) 全盛阶段；（轰然现象）(3) 衰退阶段 （200300度） 二、 建筑火灾火灾及其成因7.1建筑火灾的严重性： 建筑中发生火灾的大小及危害程度，取决于火灾达到的最大温度和最大温度持续时间。影响火灾严重性的主要因素：（）可然材料的燃烧性能、数量和分布；（）房屋的通风情况；（）房间的大小、形状和热工特性。三、 影响火灾严重性的主要因素火灾及其成因7.1建筑防火对策：(1) 预防失火；(2) 一旦失火，争取初期灭火，不致成灾。防火主要技术措施：(1) 总平面布

5、局留有适当防火距离；(2) 尽量选用非燃、难燃性建筑材料；(3) 建筑物平面和竖向合理划分防火区；(4)合理设计疏散通道；(5)合理布置消防设施；(6)合理设计承重结构及构件。四、 建筑防火技术措施火灾及其成因7.1五、 防火、耐火与抗火防火 当防火只防止火灾时，主要用于建筑防用于火措施。当防火指防火保护时，用于建筑防护的有防护墙、防护门等，用于结构防护的有防火涂料、防火板等。耐火 耐火主要是指建筑在某一区域发生火灾时能忍耐多长时间不造成火灾蔓延，以及结构在火灾中能耐多久不破坏。抗火 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减低不过而满足受力要求来实现。火灾及其成因7.127

6、建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计结构抗火设计的方法火灾下结构的极限状态火灾下结构的最不利荷载、荷载效应组合结构抗火设计方法与要求结构抗火设计的一般步骤7.2结构抗火设计的一般原则和方法建筑防火设计的目的：（1）减小火灾发生的概率；（2）减小火灾的直接经济损失；（3）避免或者减少人员伤亡。结构抗火设计的意义： （）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌而造成灭火或者救援困难； （）避免结构在火灾中整体倒塌而造成人员伤亡； （）减

7、少火灾后结构的修复费用，缩短火灾后结构功能恢复周期，减小间接损失。一、结构抗火设计的意义和发展7.2结构抗火设计的一般原则和方法一、结构抗火设计的意义和发展抗火设计方法基于试验的构件抗火设计方法以试验为依据，确定不同类型构件在规定分布荷载和标准升温条件下的耐火试验，确定不同防火措施后构件的耐火时间。 建筑设计防火规范（GBJ16-87）采用该法。缺陷：无法考虑荷载分布与大小的影响；无法考虑端部约束状态的影响。基于计算的构件抗火设计方法 以有限元理论为基础，能够考虑任意荷载形式和端部约束。基于计算的结构抗火设计方法基于火灾随机性的结构抗火设计方法7.2结构抗火设计的一般原则和方法二、基于概率可靠

8、度的极限状态设计方法 基于概念可靠度的极限状态设计方法指要求结构设计以满足各种功能的结构极限状态设计要求为目标。 设正常情况和火灾下，结构承载力功能设计失效概率分别为PN、PF,结构设计基准期内火灾发生的概率为P(F),火灾发生条件下结构承载力功能失效的概率为P(f/F),则PF=P(F).P(f/F) 因P(F)PN。7.2结构抗火设计的一般原则和方法三、 火灾下结构的极限状态火灾下结构构件承载力极限状态 火灾下，随着结构内部升温，结构的承载力将下降，当结构的承载力下降到外荷载（包括温度作用）产生的组合效应相等时，结构达到受火承载力极限状态。判别标准：构件丧失稳定承载力 构件的变形速率为无限

9、大钢结构：构件达到不适于继续承载的变形7.2结构抗火设计的一般原则和方法三、 火灾下结构的极限状态火灾下结构整体承载力极限状态的判别标准结构丧失整体稳定 结构达到不适于继续承载的整体变形7.2结构抗火设计的一般原则和方法四、火灾下结构的最不利荷载、荷载效应组合1.火灾下结构的最不利荷载框架结构为超静定结构：火灾下，存在温度内力。 框架结构：只取最不利的构件进行抗火设计。选取的原则：1、常温下相对受力（荷载组合作用与承载力之比）最大构件。2、火灾下温度内力最大构件。设计方式：进行哪个构件的抗火设计，仅考虑哪个构件的受火升温。7.2结构抗火设计的一般原则和方法四、火灾下结构的最不利荷载、荷载效应组

10、合2.火灾下结构的荷载效应组合国外设计规范大多采用荷载效应线性组合。我国采用如下荷载效应组合：永久荷载楼面活荷载风荷载温度荷载7.2结构抗火设计的一般原则和方法五、结构抗火设计方法与要求1.标准升温曲线与等效爆火时间标准升温曲线升温段：降温段：ISO834标准曲线7.2结构抗火设计的一般原则和方法五、结构抗火设计方法与要求等效爆火时间 真实火灾对构件的破坏程度可等效为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。1.标准升温曲线与等效爆火时间7.2结构抗火设计的一般原则和方法火灾升温模型;标准升温模型；（与实际火灾升温有差别）等效标准

11、升温模型；（通过等效爆火时间概念，考虑实际火灾情况）模拟分析模型。（考虑很多影响火灾实际升温的因素，复杂）2.结构抗火设计模型火灾升温模型7.2结构抗火设计的一般原则和方法结构分析模型构件模型；（构件层次）子结构模型；（构件层次）整体结构模型 。（整体结构层次）2.结构抗火设计模型7.2结构抗火设计的一般原则和方法3.结构抗火设计要求在规定的结构耐火极限的时间内，结构的承载力应不小于各种作用所产生的组合效应。在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间应不小于规定的结构耐火极限。结构达到承载力极限状态时的临界温度应不小于规定的耐火极限时间内结构的最高温度。7.2结构抗火设计的一般原则和方法六、 结构抗

12、火设计的一般步骤目标：确定适当的构件防火被覆，使其在规定的耐火时间范围内，满足承载能力的要求。钢结构抗火设计的一般步骤： （1）确定一定的防火被覆； （2）计算构件在耐火时间条件下的内部温度； （3）计算结构构件在外荷载和温度作用下的内力； （4）进行荷载效应组合； （5）进行构件耐火承载力极限状态验算； （6）被覆厚度不合适时，调整厚度，重复上述步骤。7.2结构抗火设计的一般原则和方法钢筋混凝土结构抗火设计的一般步骤： （1）原设计无面层的构件，增加耐火面层； （2）加大钢筋净保护层以降低其温度； （3）改变钢筋的布置方式，如双层筋，粗钢筋中间，细筋下层； （4）轴心受压或者小偏心受压构件可

13、提高混凝土强度等级； （5）加大界面宽度或者配筋量； （6）加大建筑物房间开口面积，以减小当量标准升温时间。7.2结构抗火设计的一般原则和方法27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计高温时的力学性能：将材料加热到指定温度，恒温一定时间，然后在热状态下测定其力学性能。用于结构在火灾时承载力设计。高温后的力学性能：将材料加热到指定温度，然后冷却至室温，在冷态下测定其力学性能。用于结构遭受火灾后的修复与补强。7.3建筑材料的高温性能一、钢筋混凝土

14、的高温性能1.混凝土的高温性能混凝土强度高温时强度折减系数：欧洲混凝土协会经验计算公式： 高温后混凝土强度：比热态时要低。温度/0C100200300400500600700800Kc0.940.870.760.620.500.380.280.177.3建筑材料的高温性能混凝土弹性模量高温时弹性模量的折减系数KcE：高温后混凝土弹性模量：比热态时要低。温度/0C100200300400500600700800KcE0.750.530.400.300.200.100.050.05温度/0C100200300400500600700KcE1.00.800.700.600.500.400.301.混

15、凝土的高温性能7.3建筑材料的高温性能混凝土应力应变曲线高温时 高温后1.混凝土的高温性能7.3建筑材料的高温性能钢筋的强度钢筋在热态时的强度远低于先加温后冷却的强度。 高温时的强度： 普通低碳钢筋：温度升高，屈服台阶逐渐减小。 3000C时，屈服台阶消失，屈服强度取决于条件 屈服强度 4000C以下时，其强度比高温时略高，但是塑性降低。 超过4000C，其强度降低而塑性提高。 普通低合金钢：3000C以下时，其强度略有提高，塑性降低。 超过3000C，其强度降低，而塑性增加。 冷加工钢筋：冷加工过程中所提高的强度在高温时逐渐消失,塑性恢复。 高强钢丝：极限抗拉强度在高温下降低较快。钢筋在热态

16、时的强度远低于先加温后冷却的强度。2.钢筋的高温性能7.3建筑材料的高温性能高温后的强度：普通热轧钢筋：在6000C以前，屈服强度没有降低； 在6000C以后，呈线性降低。预应力钢筋： 3000C以后，强度降低较快。冷加工钢筋： 在4200C以前，屈服强度没有降低； 4200C以后，强度线性降低。无论在火灾时还是火灾后，钢筋的抗压强度折减系数均可取相应抗拉强度的折减系数。2.钢筋的高温性能7.3建筑材料的高温性能钢筋的弹性模量钢筋在热态时弹模随温度升高而显著降低，与钢筋种类、级别关系不大；钢筋在火灾后即冷态时的弹性模量可取常温时的弹性模量。钢筋的变形软钢：200C1000C2000C3000C

17、4000C5000C2.钢筋的高温性能7.3建筑材料的高温性能钢筋的变形硬钢：当钢筋受热温度T小于5000C时，冷却后应力应变曲线与常温下相同。当受热温度大于5000C时，屈服台阶消失。常温T1T202.钢筋的高温性能7.3建筑材料的高温性能钢筋与混凝土之间的粘结力高温时和高温冷却后，钢筋与混凝土之间的粘结强度下降。温度越高，下降越多。混凝土抗压强度的损伤系数与变形钢筋粘结强度的损伤系数相当。变形钢筋的粘结强度高于光面钢筋，严重锈蚀的光面钢筋的粘结强度强度好于新轧的光面钢筋的。影响粘结强度的因素很多，强度、试验程序、钢筋形状、混凝土性能等。高温下的粘结性能稍好于冷却后的粘结性能。2.钢筋的高温

18、性能7.3建筑材料的高温性能二、高温下结构钢的材料特性热膨胀系数：随着温度的变化而变化相位变换现象。07000C，钢的平均热膨胀系数随着温度的升高而升高；8000C时，构件在原有伸长的基础上出现短缩现象；9000C时，构件又开始膨胀，热膨胀系数开始回升。我国规范：常温下s1.2x10-5 m/(m0C) 抗火分析时： s1.4x10-5 m/(m0C)钢的比热：或者钢的导热系数 随着温度的升高而减小。钢的密度几乎无变化。1.高温下结构钢的热物理特性7.3建筑材料的高温性能高温下结构钢的力学性能试验方法：恒载升温和恒温加载试验应力-应变关系 2500C变化不大；2500C以上塑性流动；3000C

19、以上无屈服极限和屈服台阶，强度和弹性模量明显减小。 高温下钢构件的总应变包括：应力产生的瞬时应变，蠕变和热膨胀产生的应变。高温下结构钢的蠕变过渡、稳态和加速蠕变阶段（I、II、III）IIIIIIabct100%拉伸应变时间2.高温下结构钢的力学性能7.3建筑材料的高温性能高温下结构钢的松弛温度一定，变形不变下，应力减小的现象。两阶段，第一阶段起主导作用。高温下结构钢的力学参数泊松比：受温度影响很小，取0.3。等效屈服强度：不同的国家取值不一样，具体情况具体对待。初始弹性模量：我国采用受热后冷却到常温状态后结构钢的强度和弹性模量与受热前 的强度和弹性模量相同。IIIt时间2.高温下结构钢的力学

20、性能7.3建筑材料的高温性能27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计一、建筑物耐火等级 根据建筑物不同的耐火能力要求，可将一般民用建筑物耐火等级分成四级。高层民用建筑的耐火等级分为两类。 高层民用建筑设计防火规范：对于一类建筑及一、二类建筑的地下室，其耐火等级不应低于一级；对于二类建筑及属于高层建筑的裙房，其耐火等级不应低于二级。7.4结构构件的耐火性能二、建筑结构构件耐火等级耐火极限 构件受标准升温火灾条件下，从受到火的作用起，到失去稳定

21、性或完整性或绝热性时止，抵抗火作用所持续的时间，一般以小时计。结构抗火设计时，结构分为两类：1、兼作分隔构件的结构构件，由构件失去稳定性、失去完整性和失 去绝热性3个之一的最小时间确定。2、纯结构构件，该类构件的耐火极限由失去稳定性单一条件确定。7.4结构构件的耐火性能确定结构构件的耐火极限要求时，主要考虑以下因素：1、建筑的耐火等级。2、构件的重要性。3、构件在建筑中的部位。楼板：一级1.5h，二级1.0h，三级0.5h，四级0.25h梁： 一级2.0h，二级1.5h，三级1.0h，四级0.5h （高于楼板）柱： 一级3.0h，二级2.0h，三级1.5h，四级1.0h （高于梁）7.4结构构

22、件的耐火性能三、影响建筑结构结构耐火极限的其他因素火灾荷载建筑内火灾荷载（燃烧物）越多，火灾的持续时间就越长，构件的耐火等级越高。建筑物内火灾荷载越小，火灾持续的时间越短，构件的耐火等级可降低。自动灭火设备安装自动灭火设备可提高构件的耐火时间。建筑物的重要性我国建筑设计防火规范对I、II类建筑的耐火等级作了规定，对III类建筑没有具体规定。III类建筑的耐火等级可以降低。7.4结构构件的耐火性能四、建筑结构的耐火极限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。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。7

23、.4结构构件的耐火性能27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计一、钢筋混凝土构件截面温度场计算温度场： 在某一瞬时，空间各点温度分布的总体称为温度场，它是以某一时刻在一定时间内所有点上的温度值来描述的，可以表示成空间和时间坐标的函数，即：稳定温度场；不稳定温度场。结构构件温度场实用计算 对于给定的混凝土梁、柱、楼板，根据其边界条件和初始条件，由热传导微分方程，求解构件的温度场。有饰面的构件，将面层折算成混凝土的厚度，进行温度场计算分析。7.

24、5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计二、轴心受力钢筋混凝土构件抗火计算轴心受拉构件高温条件下，截面达到承载力极限状态时，混凝土已经产生贯通裂缝，荷载仅由受拉钢筋抵抗。钢筋的抗拉强度设计值，要考虑高温时的折减。轴心受压构件正截面承载力计算(1) 外荷载由钢筋和混凝土共同承担。(2) 对于钢筋，已知钢筋的温度，确定钢筋抗压强度的折减系数，来求 解钢筋承受的外力。(3) 对于混凝土，由于截面上各处的温度不同，把截面分成网格，分别求出每一格的中点温度，进而求出相应单元混凝土强度的折减系数并计算所承受的外力，最后确定截面混凝土承受的外力。7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计三、受弯构件抗火计算单筋矩形梁两种

25、破坏模式： 受拉破坏和受压破坏。受拉破坏：(1) 外荷载作用下，受拉钢筋产生初始应力，受压区混凝土承受初始压应力。(2) 火灾作用下，钢筋的屈服强度和混凝土的强度不断下降。(3) 受拉区受火作用时，钢筋强度降低快于混凝土。在钢筋的屈服强度高于初应力时，截面的应力状态基本不变，混凝土的应力图形也基本保持合力和形心位置不变。7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计受拉破坏：(4)当钢筋的屈服强度小于初始应力时，钢筋屈服，变形加大，中和轴上移，混凝土受压区变小，压应变不断变大直到达到极限压应变而破碎。(5) 受压区受火时，混凝土升温较快，强度下降。为了维持平衡，受压区高度增加，内力臂减小，钢筋应力增大。

26、如果梁的配筋不是太大，在混凝土最大应变达到极限压应变前，钢筋达到屈服强度，变形增大导致混凝土压碎。7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计受压破坏：(1)受拉钢筋屈服前受压混凝土被压碎，这种破坏只发生支座截面。(2)火灾作用下，受压混凝土的抗压强度降低到该处混凝土的初应力时，该处的混凝土就会向其内侧的混凝土卸荷。(3) 随着混凝土强度的降低，受压区高度的增加，内力臂变小，钢筋的应力必然增大。(4)当钢筋得到较好的保护，强度降低不大。混凝土应变的持续增加，必然导致受压边缘混凝土应变达到极限压应变，而发生破碎。钢筋 还没有屈服，截面的破坏由受压区混凝土来控制。7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计梁在火

27、灾下正截面承载力计算假定：(1)高温下钢筋的应力应变曲线。火灾下钢筋的设计强度Ksfy(2)混凝土在高温下的应力应变关系。00.002， u0.0033。a软钢b硬钢c混凝土7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计(3) 截面应变呈线性分布，即平截面假定。(4) 截面受拉区的拉力全部由钢筋来承担。(5) 采用截面宽度折减系数，把受压区折算成阶梯形（受压区受火时） 和矩形（受拉区受火时）。矩形受火后的有效截面中和轴7.5钢筋混凝土构件的抗火计算与设计27建筑结构抗火设计7.1 火灾及其成因7.2 建筑抗火设计的一般原则和方法7.3 建筑材料的高温性能7.4 结构构件的耐火性能7.5 钢筋混凝土构件抗

28、火计算与设计7.6 钢结构构件抗火计算与设计一、钢结构构件升温计算根据钢构件本身的截面特性，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分布均匀，重型钢构件因其截面比较大，截面上各点温度分布不完全相同。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。 在实际工程中，按钢构件表明有无隔热层，分为有保护层钢构件和无保护层钢构件。7.6钢结构构件抗火计算与设计二、轴心受压钢结构构件抗火计算和设计1.基本假定(1)火灾下钢构件周围环境的升温时间过程按国际标准组织（ISO）推 荐的标准升温曲线采用，即 Tg=20+345log10（8t+1） 式中 Tg-环境温度（C）； t-升

29、温时间（min）。(2)钢构件内部的温度在各瞬时都是均匀的。(3)钢构件为等截面构件，且防火被覆均匀分布。7.6钢结构构件抗火计算与设计2.高温下轴心受压钢构件临界应力的计算计算高温下轴心受压钢构件的极限承载力（或临界应力）时，可采用与常温下同样的假定和计算方法。 杆件的极限承载力应力状态（临界应力）：杆件两端在轴心压力作用下，当杆件中点截面边缘屈服时，塑性变形迅速发展，而在杆中点形成塑性铰，杆件丧失稳定，因此可将杆件中点截面边缘屈服时平均应力状态作为杆件的极限承载应力状态。 7.6钢结构构件抗火计算与设计2.高温下轴心受压钢构件临界应力的计算高温下轴压杆件临界应力的计算公式 式中 e0-考虑

30、残余应力影响的等效初偏心率； fyT-高温下钢材的屈服强度； ET- , ET为杆件在高温下的弹性模 量，为杆件的长细比。 为方便应用，可将crT表示为 -高温下轴压钢杆的稳定系数7.6钢结构构件抗火计算与设计0.80.20.00.61.00.40100200400300500600T/随温度Ts的变化可分为3个阶段：第一阶段：0Ts400 T/随Ts的上升而增大，原因是钢材弹性 模量降低的速度小于屈服强度降低的速度。第二阶段：400Ts500 T/基本保持不变，原因是钢材弹性模量 降低的速度接近屈服强度降低的速度。 fyT/fy、ET/E随温度的变化第三阶段：500Ts600 T/随Ts的上升而减小，原因是钢材的弹 性模量降低的速度大于屈服强度降低的速度。ET/EfyT/fy7.6钢结构构件抗火计算与设计2.高温下轴心受压钢构件