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钢结构抗火研究现状与发展趋势

来源：一二三四网

第26卷第1期　　　　　　　　河北建筑工程学院学报　　　　　　　2008年3月JOURNALOFHEBEIINSTITUTEOFARCHITECTUREANDCIVILENGINEERING

Vol.26No.1March2008

钢结构抗火研究现状与发展趋势

赵欣莉　薛素铎　赵　磊

1北京工业大学;2河北省建筑科学研究院

摘　要　分析了钢结构抗火研究的现状,指出了钢结构抗火研究尚存在的问题,对钢结构抗

火研究趋势进行了展望.关键词　火灾;钢结构抗火;发展趋势中图号　TU3

0　引言

火灾的高温对钢材的性能特别是力学性能具有显著的影响.当温度超过550℃时,普通结构钢将丧失大部分强度和刚度.火灾时,建筑室内的空气温度半小时内可达到800℃～1200℃,因此无保护的钢结构在火灾中极易受到损害.在我国,每年因火灾造成建筑结构损毁或倒塌的事故达数十例.火灾除造成人员伤亡以及直接经济损失外,还可能造成因结构功能失效的间接经济损失.可见,进行钢结构抗火理论研究有重要意义.

1　钢结构抗火研究现状

1.1　钢结构抗火研究内容

(1)高温下结构钢材料特性的研究.

掌握高温条件下结构钢的性能是确定火灾下钢结构的结构性能的必要条件.与钢结构抗火有关的材料特性主要包括强度(屈服强度、极限强度)、弹性模量、热膨胀系数、应力-应变关系及热传导系数和比热等热工参数.

在高温下钢材的力学性能方面,国内外进行了较多的试验研究,得到了常用的结构钢的屈服强度和极限强度与温度的关系,但如何确定高温下结构钢的屈服强度没有统一的标准,各试验结果相差较大,而极限抗拉强度的结果都较相近.有关结构钢在高温下完整的应力-应变关系的试验数据报道不多,关于弹性模量的试验报道也不多,普遍应用的是ECCS建议中的结果.我国同济大学、清华大学等分别对常用的Q235、Q345钢及I、II级钢筋的高温性能进行了试验研究

[1]

国内外还对目前新推出的耐火钢的高温材料特性和钢结构连接材料的高温性能进行了试验研究.英国、日本等曾对8.8级高强螺栓材料的高温性能进行了试验研究,国内同济大学曾对10.9级高强螺栓材料的高温性能进行了研究,试验表明高强螺栓材料的高温材料特性与普通结构钢类似.

热膨胀系数是结构抗火性能中一个很重要的参数,目前国内外对结构钢和高强螺栓材料的热膨胀系数进行过测试,结果表明温度越高热膨胀系数越大.关于高温下结构钢的蠕变性能,欧洲、日本等曾进行相应的试验研究,日本学者给出蠕变的计算方法研究不是很充分.

目前进行钢结构材料高温特性试验都是在按恒温加载或恒载升温两种温度荷载路径进行,试验结果的表达也是主要给出单一温度下的材料特性参数和应力—应变关系,国内赵金城等对高温下结构钢的应力-应变关系进行了研究,尝试给出结构钢的应力-应变-温度关系函数,但因高温下结构钢呈现很强的塑性,应力-应变关系本来就与荷载路径有关,同时还要考虑热膨胀的影响,要给出一个统一的

收稿日期:2007-12-08

作者简介:女,1978年生,在读研究生,北京市,100022基金项目:北京自然科学基金资助项目,8082004

[2]

.但是总的来说,对高温钢结构材料的蠕变性能的

76河北建筑工程学院学报第26卷

应力-应变-温度函数非常困难,为便于应用,从塑性力学的原理,根据材料是处于加载或卸载状态给出应力-应变的增量关系应该更便于结构分析应用.

(2)钢构件的抗火性能研究.

最早是以单个构件为对象对钢结构抗火性能进行理论和试验研究的.研究对象包括钢梁、钢柱、节点.对高温下钢梁、钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析方法,采用高温下的结构材料特性进行.目前国内外研究者基本都采用数值方法分析钢构件在火灾中的反应.研究表明,热膨胀是影响钢构件抗火性能的一个重要因素,其影响的大小与构件两端的约束条件有关系,梁端铰接的梁耐火时间最长.英国Manchester大学对冷弯薄壁构件、同济大学对工程设计有意义的结论.

对于钢结构连接节点抗火性能的研究相对较少,不过近两年国内外进行了一定的研究,英国的Sheffield大学和Manchester大学、国内的同济大学都对钢结构端板连接、组合节点和高强螺栓连接进行[4]

对受墙板约束的钢柱进行了理论研究,得到一些

了理论研究,Sheffield大学采用了结构力学的方法,同济大学和Manchester大学均采用有限元的方法进行模拟计算.

对于钢构件的抗火性能试验研究,国内外对钢梁、钢柱、组合梁进行了数量比较多的试验研究.国外主要有英国的BRE,法国的CTICM等进行比较多的试验研究,我国主要是同济大学组织进行了钢梁、组合梁、钢柱等的抗火性能试验研究,还进行了约束钢梁的抗火性能试验.此外,英国的Sheffield大学、Manchester大学对钢结构节点进行了试验研究,同济大学对钢结构端板连接的抗火性能进行了试验

研究.

(3)钢结构整体抗火性能研究.

进行整体结构层次的抗火设计,需进行结构整体火灾反应分析.由于钢结构材性随火灾升温发生非线性变化,加上材料应力非线性,几何非线性,温度内力等影响,使得火灾下整体钢结构的全过程分析相当困难.

目前对于钢结构的抗火性能理论研究,大部分工作集中在用数值方法模拟火灾下钢结构大多为钢框架结构的结构反应,其实质问题是结构非线性反应分析问题,近期主要利用成熟的商业有限元软件如ANSYS,ABAQUS等进行数值模拟.由于钢结构抗火分析计算量非常大,对分析结果数据的整理和分析

任务艰巨,因此如何对整体结构的抗火性能进行数值模拟还是值得研究的问题.

国内外均进行了钢结构的抗火试验研究,试验对象包括梁、柱组合次结构,平面钢框架模型、足尺空间钢框架结构.早期比较有影响的试验是德国的A.Rubert和P.Schaumann进行的一系列平面钢框架和梁柱组合次结构模型试验,国内同济大学曾进行平面钢框架模型抗火试验.英国的BRE和澳大利亚曾经进行过足尺模型的钢结构抗火性能试验研究,对结构抗火研究和设计具有深远的意义.1.2　钢结构抗火设计方法

随着人们对钢结构抗火计算与设计理论研究的不断深入,钢结构抗火设计的方法在不断发展.现代钢结构的抗火设计主要有4种方法:基于试验的构件抗火设计方法、基于计算的构件抗火设计方法、基于计算的结构抗火设计方法和考虑火灾随机性的结构抗火设计方法.

在20世纪80年代前,钢结构的抗火设计是以试验为依据的,通过不同类型构件(主要指梁、柱)在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验,确定采取不同防火措施(如不同的防火涂料,不同的涂料厚度)后构件的耐火时间.进行结构抗火设计时,根据构件的耐火时间要求,选取对应的防火保护措施.这种基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用,但是由于试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束,因此,难以分析这些因素对构件耐火时间的影响.

从20世纪80年代之后,结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法.英、美、日等国进行了考虑荷载的分布与大小及构件端部约束对构件耐火时间影响的大量计算分析.基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法,也有一些采用经典解析分析方法,基本建立了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方法.目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所

第1期采用.

赵欣莉　薛素铎　赵　磊　　　钢结构抗火研究现状与发展趋势77

基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标,认为火灾下单个构件的破坏,并不一定意味着整体结构的破坏.特别是超静定钢结构体系,当结构局部或少数构件发生破坏,将引起结构的内力重分布,整体结构仍有一定的承载能力.基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的,但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法.

基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标,考虑火灾及空气升温的随机性.这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究,但成果还不多.人们认为这是结构抗火设计的发展方向.

以上4种方法中基于试验的抗火设计方法基本上被淘汰,现在的试验一般用来检验理论研究的结果.基于计算的构件抗火设计方法研究已有一定的理论成果和工程应用实践,但钢构件在各种条件下的理论和试验研究还在发展.基于计算的结构抗火设计方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法,是目前钢结构抗火设计的整体发展趋势.考虑火灾随机性的结构抗火设计方法的研究和工程实践还很少,是新的研究课题.

同济大学在国内外倡导的关于结构抗火安全的性能化设计方法,对结构抗火需求进行改进,根据具体结构对象,直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标,确定结构抗火需求;另考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响.由于性能化方法以结构抗火需求为目标,最大程度地模拟结构的实际抗火能力,因此是一种科学先进的抗火设计方法.

20世纪80年代以前,国外均采用传统方法进行结构抗火设计,20世纪80年代和90年代英国和欧

洲分别采用传统改进方法进行结构抗火设计.我国在现行的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》中仍采用传统方法进行结构抗火设计,在2000年颁布的上海市标准《建筑钢结构防火技术规程》中,首次采用了传统改进法进行钢结构抗火设计.目前,国内外已将性能化方法引入建筑消防安全设计.

[23]

2　钢结构抗火研究现存问题及发展趋势

在国外,钢结构已经广泛应用于各种工程技术领域;在国内,高层建筑钢结构和大跨度结构的发展也预示着钢结构将是未来结构发展的主要方向.火灾产生的高温对钢结构的强度、刚度等有很大的影响,如何有效地进行钢结构的抗火设计是很有必要的.由于对钢结构或钢构件的抗火性能进行试验非常复杂且昂贵,因此,在一定的试验数据基础上开发数值模拟软件,对钢结构在火灾中的反应进行数值模拟,具有重要的意义,它是性能化防火设计的关键所在.

钢结构抗火设计的传统方法存在一些缺陷,构件耐火时间不能完全代表真实情况下结构的耐火时间,在大空间建筑的局部火灾中可能出现过于保守而使材料浪费的情况.基于性能计算的钢结构分析方法可以用来根据实际情况更好地选择经济有效的防火保护方法.通过设置合理的火灾场景,研究整体结构的火灾响应特性,通过模拟计算分析,可以确定合理的防火保护措施,如适当的保护面积和涂层厚度.对可能影响整体结构的关键构件要加强保护,而受火威胁小的构件,甚至可以不作保护.现今国内外已开展的钢结构抗火研究仍存在以下问题:实际结构火灾中钢材常处于多向应力状态,钢材多轴力学性能的研究不够;大量钢结构公共建筑火灾属于大空间火灾,一般室内火灾的特性不适于大空间火灾,大空间建筑火灾特性缺乏深入研究;对火灾下整体结构的结构反应、承载能力和破坏特性缺乏深入、系统的研究;目前的抗火设计方法还是基于构件层次的,而一个结构构件的破坏并不能代表整个的破坏,因此有必要对结构进行基于性能目标要求的抗火设计.

由此可见,采用更精细的高温材料模型,模拟真实结构的火灾反应,是钢结构抗火计算理论的发展趋势.考虑建筑物的真实火灾特性,基于整体结构的火灾反应,进行钢结构火灾风险评估,并以保障建筑消防人员安全和降低结构抗火成本为目标,确定钢结构抗火性能指标,进行钢结构抗火设计,是结构抗火安全评价与抗火设计的发展趋势.

78河北建筑工程学院学报

参　考　文　献

第26卷

[1]李国强,陈凯,蒋首超,殷颖智.高温下Q345钢的材料性能试验研究.建筑结构.2001,1

[2]MorihisaFUJIMOTO,FukujiroFURUMURAetc,PrimaryCreepofStructuralSteel(SS41)atHighTemperatures,日本

建筑学会报告集No.296,1980,10

[3]徐彦,赵金城.Q235钢在不同应力-温度路径下材料性能的试验研究和本构关系,上海交通大学学报,2004,38(6)[4]李明菲.带墙板约束钢柱抗火设计研究.同济大学硕士学位论文,上海:2003,3

ResearchingStatusQuoandDevelopingTrendof

Fire-ResistanceofSteelStructures

ZhaoXinli　XueSuduo　ZhaoLei

　　　　　　　　　　　　　　1.BeijingUniversityofTechnology　　　　　　　　　　　　　　2.HebeiArchitecturalScienceInstitute

Abstract　Inthispaper,theresearchonfire-resistanceofstructuresisbrieflyreviewedandthemainprogress

intheresearchonthefire-resistanceofstructuresinrecentyearsispresented.Theremainingproblemsforthefire-resistantdesignofstructuresarepointedoutandthekeyproblemstobefurtherresearchedonfire-resistanceofsteelstructuresareproposed.

Keywords　fire;fire-resistanceofsteelstructures;developingtrend(上接第74页)

复杂,导致室外管线通道有限.小区内管线种类众多,电气管线主要有:住宅配电、室外照明及动力、各种弱电管线;其它管线主要有:雨水管、上水、水体循环管(造景要求)、消防管、自动喷洒管、煤气管等.各种管线的功能和施工时间不统一,在小区有限的道路断面内应进行综合安排、统筹规划,以减少各种工程管线在平面和竖向空间上的冲突.3.2　室外分线设备

各种弱电系统都有中继、分配、分线设备,景观别墅区不同于一般住宅楼,它没有室内的公共部位及设备用房,故应将整个小区划分成若干个“组团”,以“组团”为单位集中设置室外落地的分线设备箱.分线设备箱应靠近主干管,用灌木作必要的遮挡或与小区内小品相结合以伪装箱体.3.3　总机房的设置

小区弱电总机房应优先考虑设置在小区主入口的门卫,靠近主干道的会所等公共建筑内.建议分隔成以下几个部分:1)消防安保中心———处理火灾、防盗、访客、电视监控等事务;2)音像中心———管理电视信息接收与处理、背景音乐等;3)电话机房———管理电话通信;4)计算机中心———管理局域网.各部分相邻设置,铺设防静电活动地板,地板下各中心有联络通道.

OntheKeyPointsinWeakCurrentDesignofLandscapeVilla

ZhaoLinxiang　ZhangXiaofeng

　　　　　　　　　　　　　　1.ZhangjiakouJingbeiConstructionCo.Ltd

　　　　　　　　　　　　　　2.HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering

Abstract　Diffierentfromotherresidences,manynewtechniques,ideasandnormsareappliedintheweak

currentdesignoflandscapevilla.Thispaperexpoundsthekeypointsinthedesign.Keywords　landscapevilla;weakcurrentdesign

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