第六章建筑结构耐火设计

第六章建筑结构耐火设计

1、钢材在高温下其强度和弹性模量降低，造成钢结构变形过大失去支撑能力而倒塌。国内曾多次发生

倒塌事故。如I960年重庆天原化工厂、1973年天津市体育馆、1986年唐山市棉纺织厂、1987年江油电

厂俱乐部等火灾都引起了钢屋架的倒塌。

2、钢碎结构虽属于耐火结构，在高温下钢筋强度降低，碎强度、弹性模量降低，般爆裂加速钢碎构

件的破坏，也有可能发生倒塌破坏。

典型案例：南昌万寿宫商城火灾

建筑结构耐火设计一就是通过对常温下设计的结构进行必要的验算和补充，确保结构在限定

的耐火时间内安全可靠。

一、建筑结构耐火设计的现状

（）我国建筑结构耐火设计仅限规范中耐火等级的划分这种设计方法。

1、对建筑构件进行耐火试验（标准条件下），确定其耐火极限：

2、若所选构件耐火极限满足规范规定，认为构件满足防火设计要求。

（二）存在问题

1、标准升温曲线不同于实际火灾；

2、耐火试验中构件的试验荷载、约束条件、测量等条件不易精确控制，与实际情况有出入；

3、耐火试验炉尺寸有限。

总之，试验结果不能准确代表构件在实际火灾下的耐火性能。

二、新设计方法

根据建筑结构在实际火灾中“设计受火状况”，确定其结构承载力，若这一承载力大于火灾时的有效荷

载，即认为结构安全可靠。

第一节建筑结构的倒塌与破坏

一、结构倒塌破坏的概念

1、建筑物一结构一构件

2、引起建筑结构倒塌破坏的原因很多

3、建筑结构因火灾倒塌破坏的后果是严重的

二、结构倒塌破坏的原因

1、木结构（包括其他可燃材料制作的构件）表面被烧蚀，削弱了承重断面；

2、钢结构受热变形破坏；

3、砖石砌体因受热变形而开裂破坏；

4、钢筋碎结构由于持续高温承载力下降；

（钢碎结构耐火时间lh以上，预应力钢破结构lh以下）

5、结构因爆炸冲击震动而破坏；

6、因上部结构倒塌引起结构破坏；

7、灭火射水所致。

三、建筑结构倒塌的一般规律

1、倒塌的顺序一般是从上到下，先吊顶，后屋盖，最后是墙、柱。

2、木结构、钢结构都是易发生倒塌破坏，预应力钢碎不仅易发生倒塌破坏，而且破坏发生的旱，来

的突然。

3、木结构屋顶，整个倒塌的少，局部破坏的多；钢结构屋顶则多发生整体或较大部分破坏或倒塌。

4、在结构形式，简支构件、悬臂构件等静定结构比连续梁等超静定结构易于倒塌破坏；三被拱、薄

壳结构屋顶的倒塌破坏大多是整片的；桁架结构在火灾情况下破坏发生的早，且往往是大面积的破坏。

5、房屋的墙一般是向里倒的。

第二节钢结构耐火设计

一、钢结构的耐火性能

（一）钢材的高温力学性能

是温度的函数，各国研究结果不同，推荐采用前苏联和口本采用的计算公式:

1.0（7；<30（TC）

-=二Z（30CPC兀7；475cpC）T0-钢材温碑C）

°o（4。750PQ

叼力

a

300750Ts

（二）钢材的截面温度分布

可认为钢构件内部温度均匀分布。

（三）构件的破坏过程

综上述，由于钢结构由单一材料组成，温度均匀分布，截面呈薄壁状，受火面积大，火灾中升温快，

强度降低严重。一般裸露钢结构的耐火极限仅15min。国内外多次发生倒塌事故，所以应该进行保护。

二、钢结构耐火保护方法

（一）屏蔽法

设阻火屏障，不让火焰接触钢构件。

（二）包封法

用绝热材料做成外壳，保护钢构件。

1、浇校包封

2、不燃型材包覆

3、钢丝网抹灰

（三）喷涂法

1、喷涂无机纤维材料

矿物纤维+粘结剂

2、涂防火涂料

钢结构防火涂料分为薄涂型钢结构防火涂料（B类）和厚涂型钢结构防火涂料（H类）：

（1）B类：适用于室内裸露钢结构、轻型钢屋盖结构及有装饰要求的钢结构要求耐火极限为L5h以

下。

一般分为底层涂层和面层涂料，涂层厚度不超过7nlm（2、7!nni）,有一定装饰效果，高温时涂层

膨胀增厚，具有耐火隔热作用，可将耐火极限由0.25h提高到1.5h,乂称钢结构膨胀防火涂料。如LB

钢结构膨胀防火涂料。（3mm—0.5h>5mm—1.0h>6mm—1.5k）

（2）H类：又称无机防火隔热涂料，适用于隐蔽结构及耐火极限大于1.5h的钢结构。涂层厚度一般

在7nmi以上（7~80mm）,粒状表面，密度较小，热导热率低，耐火隔热性好，能将钢结构的耐火极限由

0.25h提高到1.5h~4h。如LG钢结构防火隔热涂料。（8mm—0.5h^12mm—1.0h^17mm—1.5h^27mm—2.

Oh、32mm—2.5h^37mm—3.Oh）

（四）水喷淋法

设自动（手动）喷淋系统，火灾时喷水，在构件表面形成一层连续流动水膜，从而起到保护作用。

以上四种属于截流法，设法减小传到构件上的热流量。

（五）充水冷却保护

适用于空心结构，通过水循环，不断将热量带走，从而使钢材温度永远达不到它的极限温度。又

称疏导法。

三、钢结构耐火保护层厚度计算

（一）保护材料的选用与分类

1、选用

（1）具有良好的绝热性；

（2）在装修、正常使用、火灾中，不开裂、不脱落，自身有一定强度；

（3）不腐蚀钢材；

（4）不含危害人体健康的石棉等物质。

2、分类

r轻型材料.辽J

（D按吸热能力分为:

,重型材料2夕/厂4

干保护材料

（2）按含水率大小分为:

含水保护材料丸

）-平衡含水率见表6-2

（二）钢构件临界温度计算（Tc）

临界温度：当构件在火灾有我微载作用下，遭受火烧达到极限状态的温度。

火灾有效荷载：构件在火灾时实际承受的重力荷载。

PF=1.1G+XW&i

G--永久荷载标准值

Q--可变荷载标准值

W--准永久系数

当b"下降到匕作用下时构件破坏此时温度为临界温度Tc

甘小/设计强度

Tc=750-450，■一其中--乙-••塑性系数

0>20

设

当一端固定一端较支梁=-

3

夕2--内力重分布影响系数两端固定或连续梁内跨8、二%

其余所有构件82=1。

Tc=750-450%%

当鹿«550。。时取Tc550℃

例：某钢柱，其有效荷载与设计荷载之比为0.7,求临界温度。

解：

(三)构件的截面系数

定义：构件单位长度内受火面积F与其体积V之比。

HV越大，构件受火面积越大，构件越不耐火。所用保护材料构造方式不同时，具体计算方法可

查表-4(P139)o如：

1、在时间dt内，传入构件单位长度的总热量：

△Q=qFdt=*(T-Ts)Fdi

F--单位长度构件保护材料内表面面积(//⑼

2、在时间dt内，构件温度上升dTs,炉温上升△「

则单位长度构件吸收的热量：

AQ=jpydTs—单位长度构件的体积(//刈

按稳态考虑，材料内温度线性分布，在出时间内材料吸收的热量：

(四)导热微分方程

假设：

(1)保护材料外表面温度等于炉内平均温度。

（2）由外部传输入的热量全部消耗于提高构件和保护材关斗的温度，不计其它热量损失。

q=-T3）（出时间内看作匀质平板传热）

q--通过保护材料传给构件的热流强度（取/m2）

N--导热系数

D--保护层厚度

T--材料外表面温度即炉温（°C）

T,--材料内表面温度即构件温度（°C）

（3）根据假设，十上述结果代入,

令4=沪三，经整理得：

2c,夕尸

♦

dT,=工---------—（T-T.）dt-LTf―

CQ1+4，“1+f

由于△T=T〃I=149.83—-—di，随t增加，Z\T很快

8/+60

衰减，可忽略不计，偏于安全计算：

华=巨・二」!（7-7；）八AA重型材料导热微分方程

出eg1+4V

当J"!时，吸热力较小，可忽略不计，0=。

得轻型材曷导热微分方程：

=D■—（7-T,）

dtcsPsr

（五）轻型干保护材料厚度计算7_4F

将上式简化：4一/00/

已知保护材料及构造方式，即已知,

F,K52

给定耐火时间t、工，就可求出D。但由于方程不是

简单函数，化为差分方程.

丁•—•—•A/3451ge+。+20

[60)

+1」

CMDVJ

2p

令at=~'~称为截面一材料综合系数(W/m3C),

则上式化为：

(Qf\{

北«+△心也3451g—+1+20+1-9)

(60JICsPs)

给定耐火时间t和构件临界温度Ts,通过计算机

迭代可解出综合截面系数%,如表6—3(P135)。

选定材料，即已知2F即可由a=---

中，解出D。DV

(六)重型或含水材料保护层厚度计算

1、重型材料保护层厚度计算

当选用重型材料时，其吸热能力大，不能忽略。

(1)先按轻型干保护材料求出初定厚度D’；

(2)求J=必匕(3)若即为所求；

2csps-4

卜一1几户1

若J01%=---------------

'%4'DV1+J

(4)

D

2K%

2、含水材料，呆护层厚度计算

当选用含水材料作保护层时，温度上升到100C,

水份蒸发吸收热量，材料温度基本不变；水份蒸发完

后，温度继续上升，如图所示，升温曲线与干材类似,

只是滞后时间。根据国外试验研究结果，I可由下式估

算：

PPD，2

(min)

54

式中用为保护材料的平衡含水率,

重量百分比;。为初定厚度加

计算步骤:

(1)求轻型干材确定初定厚度D，；

(2)当也_«25时，为干材，D'即为所求;

A-

(3)当加，025时，对D'进行修正；

A

(4)为二%-（min）

(5)用（t!）代替3重查表6—3得

f

用修正后%代入'AF

(6)%——0—（轻型）

求出D。DV

AF1

——0—•-----（-重-型）

'DV1+4

3、重型含水材料保护层厚度计算

（1）按轻型干材求初定厚度力；

（2）对D'进行吸热修正，求出D”；

（3）对D〃进行含水修正，求出厚度D。

例：求卜^简支梁，撤面132a耐火时间为90min时保护层厚度。

已知：

型钢尺寸力=0.32肛b=0.13叫6=0.01m,4=67xIO-4m\

采用石膏板作三面箱形包覆,2=0.2%//。0,P=go。%/忧

c=17007/Kg℃f°=20%;临界温度7；=451℃;

另外c$=520J/Kg°C,Ps=7850Kg/而.

解(1)求初定厚度D，：

左手女人Fb+2h0.13+2x0.32,1、

查表6—4:—=--------=---------------——=114/i.n9(―)

VA67乂10一4m

查表6-3:，=450。。/=90min,4=517%/

?F02

则。二-----二—X114.9=0,045(⑼

^517

(2)对D，进行吸热修正：

cpFD'_1700x800x0.045x114.9=0.852*

2。"2x520x7850

属重型材料,需进行吸热正:

1700x800

K=-^~0.1667

2c$Ps2x520x7850-

2x0.1667x114.9

0.0288(㈤

(3)对D”进行含水修正：

幽2=20x800x0.02882=6636巾为含水材料,

X0.2

需要进行含水修正：

ppDp2_20x800x0.02882

=14(min)

525x0.2

以t-t『90-14275miQTc=450C查表6—3得

/=647W/m3℃

再由公式：7+J1+4峭%,

_-1+11+4x0.1667x114.92x0.2/64亍

―2x0.1667x114.9

=0.024(加)

=24mm

第三节钢碎结构受火灾危害后的鉴定与修复

一、受损程度的检查和试验

（一）火灾现场调查

1、火灾发生的时间、地点及起火熄灭的总的燃烧时间。

2、室内着火物和可燃物的种类、数量及分布情况。

3、火灾蔓延的途径。

4、燃烧条件：如风力、风向、气温、灭火过程、消防给水等。

（二）收集建筑物原始设计资料

1、建筑物的平、立、剖面图；建筑物构造，防火分区等。

2、建筑物的结构形式、构件结构尺寸、材料强度等；装修的种类、厚度、性能等。

（三）受害部位的外观检查和试验

1、根据火灾现场室内装修、油漆、家具、电气线路以及各物品的变形、烧损及熔融情况、碎表面颜

色及外观特征，可以判断火场的温度。

例如：片状玻璃：

软化或粘着------700~750c

变圆-------800℃流动-------850℃

碎颜色变化：

温度颜色

<200℃灰青色

300~500℃浅灰白略粉

500"700℃浅灰白浅红色

700~800℃灰白浅黄色

>800℃浅黄色

2、观察构件的受损伤情况，注意发现节点、支座、跨中及构件接合部位的损伤和倒塌破坏。记录校

受压区有无压碎情况，保护层剥落的位置、形状，发现构件在火灾中的烧熔融部位，构件上有无烧穿的

孔洞，接头预埋件是否发生位移，观察钢筋有无烧断的情况，碎在火灾中发生爆裂的位置、大小、深度

等。

3、用工具测量结构的变形、裂缝，取得较准确的数据。

（1）测量裂缝的分布位置、宽度、深度和长度。特别注意有无贯穿性裂缝和沿钢筋的纵向裂缝。若

裂缝宽度大于5mm,是钢磴破坏的标志。

（2）构件变形不仅测挠度，还要注意构件有无平面外弯曲。

4、构件试验：在受损轻重交界部位取样，确定其剩余承载力。

二、受损程度的鉴定

根据结构受热温度、变形状况、裂缝分布及开展等，将结构受损程度分为四个等级：

（一）一级---轻度损伤

碎表面温度＜400℃,受力主筋温度V100C,构件表面颜色无明显变化，钢筋保护层完好，无

露筋现象，没有空鼓。构件仅装修、粉刷有轻微损坏，其它状态与未受火结构无明显差别。

（二）二