整体钢结构抗火

整体钢结构抗火（精选7篇）

整体钢结构抗火 第1篇

关键词：整体钢结构抗火,温升曲线,ADAQUS,承载力法

随着计算机技术的发展, 常用的钢结构抗火分析方法为基于构件计算的抗火分析方法。通过节点相连的钢构件并不孤立, 基于构件的计算方法无法反映不同构件之间的相互影响, 如火灾工况下的结构内力重分布作用。因此, 对于体量较大的钢结构建筑有必要采用基于整体的钢结构抗火分析方法。

整体钢结构抗火分析需要设定温升曲线, 现有研究中大多采用ISO 834标准温升曲线。利用CFD模拟技术进行真实火灾的仿真来测定不同区域的温度将是更好的选择。分别选用ISO 834标准温升曲线和CFD仿真模拟测定温升曲线两种工况, 对某超高层钢结构建筑进行整体抗火分析, 旨在对比不同温升曲线对整体钢结构抗火承载力的影响效果, 同时给出一种基于整体的钢结构抗火分析方法。

1 工程概况

某超高层钢结构建筑总高度228m, 地下4层, 地上48层。地下4层作为停车场和机房, 地上1~5层主要为商业, 其中四层和五层向核心筒西侧悬挑约20 m, 核心筒单层建筑面积约2 000m2。

2 火灾温升曲线确定

分别采用两种火灾温升曲线来进行整体钢结构抗火分析:CFD仿真模拟真实火灾温升曲线和ISO 834标准温升曲线。假设火灾发生位置为建筑四层悬挑部位某房间, 火焰的灼烧以及火灾烟气环境导致整个房间内的三根钢柱和三个斜撑构件温度较高, 将其定义为受火构件。模拟区域如图1所示。

2.1 模拟真实火灾温升曲线

火灾发展过程利用FDS软件模拟得到。火源设置在房间中部, 火灾发展为t2快速增长火, 按照无喷淋的公共场所将最大热释放速率取为8 MW, 模拟计算时间为180min。在FDS模型中沿着构件表面设置空气温度探测点, 考虑受火焰直接灼烧的构件④、⑤最高温位置在接近火焰面一侧, 而其他构件主要靠烟气传热升温, 将构件④的测点设置在下方, 构件⑤的测点设置在靠近火源一侧, 其余构件的测点设置于构件侧面。每个柱沿纵向表面平均设置4个温度测点, 测点间距约为1.3m, 每个斜撑沿纵向表面平均设置6个温度测点, 测点的间距约为1.5m, 如图2所示。其中, 构件①由下至上的测点编号为A01~A04, 构件②的测点编号为D01~D06, 构件③的测点编号为B01~B04, 构件④的测点编号为E01~E06, 构件⑤的测点编号为C01~C04, 构件⑥的测点编号为F01~F06。

采用FDS软件模拟以上火灾工况, 得出6个受火构件的温升曲线, 如图3所示。

2.2 ISO 834标准温升曲线

ISO 834标准温升曲线考虑整个火灾区域发生轰燃, 构件①~⑥施加的温度均一致, 表达式如式 (1) 所示。

式中:Tg为火灾环境中空气温度;T0为初始环境温度, t为时间。

3 受火构件温升计算

钢构件温度按式 (2) 、式 (3) 计算。

式中:K为综合传热系数, 当构件无防火保护时, K为空气与构件之间的综合传热系数, K=α=αc+αr;一般取αc=25 W/ (m2·K) ;Δt为时间步长;ΔTs为钢构件在时间段 (t, t+Δt) 内的温升;ρs、cs为钢材的密度和比热容;F/V为构件的截面形状系数;Tg、Ts为t时刻环境温度和钢构件内部温度;αc、αr分别为空气与构件表面之间的对流传热系数和辐射传热系数;εr为综合辐射率;σ为StefanBoltzmann常数。

本研究的受火构件均为工字钢, 受火柱 (构件①、③、⑤) 的长度均为5m, 受火斜撑②长约6m, ④长约8m, ⑥长约10m。三个受火斜撑的截面相同, 其尺寸如图4 (a) 所示;三个受火柱的截面也相同, 其尺寸如图4 (b) 所示。

根据计算公式迭代计算出受火构件的温度随时间变化关系。由于模拟测点测出不同构件乃至同一构件不同位置周围的火灾温升曲线均不同, 所以在该工况下计算出的构件温度随时间变化关系也各不相同, 6个受火构件的温升计算结果, 如图5所示。

在采用ISO 834标准温升曲线的工况下, 所有构件周围的环境温升均一致, 导致构件温度差异的唯一因素是构件的截面尺寸。案例中所有的受火钢柱构件 (构件②、④、⑥) 截面相同, 所得到的钢柱构件温升曲线一致。同样, 所有的受火钢斜撑构件 (构件①、③、⑤) 的温升也一致, 其计算结果, 如图6所示。

4 整体钢结构承载力验算

根据CECS 200:2006《建筑钢结构防火技术规范》对整体钢结构进行强度和稳定性承载力的验算。利用ABAQUS软件对受火钢构件输入各单元节点的温升曲线, 进行构件之间的传热计算, 再在传热结果的基础上施加力荷载, 输入钢材的热学参数和力学参数进行热力耦合计算, 提取热力耦合计算的所有构件应力数值, 导入二次开发程序中进行抗火承载力分析, 得到不同工况下的承载力临界时间以及关键构件的位置。

图7为CFD模拟温升曲线的工况下整体钢结构抗火承载力验算结果。计算过程中43 min时强度应力比小于1, 结构中的一个构件单元稳定性应力比大于1, 最大应力比为1.090 26。提取前一分析步中同一构件的稳定性应力比, 即29min对应的应力比为0.721 999, 采用线性插值确定该构件稳定性应力比为1的临界时间为40min, 且首先达到临界条件的构件为受火构件④。

图8为ISO 834标准温升曲线的工况下整体钢结构抗火承载力验算结果。在局部构件受火19min时, 位于五层的悬挑部位外侧斜撑构件的稳定性应力比达到1, 开始出现承载力破坏, 而受火构件④则在t=28min时才开始达到承载力破坏临界状态。

将图7和图8的计算结果进行比较后可知, 在CFD模拟真实火灾工况下, 初始达到临界时间的构件为升温幅度较大的受火构件, 而标准工况下的初始破坏构件并非受火构件;在采用不同的温升曲线时, 整体结构中构件达到临界破坏的时间也存在较大差异。

5 结论

不同火灾温升曲线对整体钢结构抗火承载力结果影响很大, 不仅结构的临界破坏时间存在较大差异, 还可能导致危险构件位置的不同。火灾过程中整体结构的内力重分布作用效果与火灾温升曲线相关, 不同的温升曲线会导致不同的结构内力重分布效果。常规设计中仅依照规范的处方式防火保护设计方法不尽合理, 而根据实际工程特点进行的性能化设计方法具有重要的实际意义, 且设计合理的火灾场景得出可靠的温升曲线至关重要。

参考文献

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钢结构抗火设计方法 第2篇

钢材虽是非燃烧材料,然而钢没有较强的耐火性。相比于室温下的钢材的屈服强度而言,若温度达到400℃时,其屈服强度将会降低一半;当温度高达600℃时,钢材的全部刚度与强度基本上就不存在。所以,在建筑未使用防火保护措施的钢结构的情况下,倘若发生火灾,势必会破坏建筑结构。钢结构的建筑受到火灾的影响是十分显著的,这种危害能够从具体的火灾案例中体现出来:1996年,昆山某轻钢结构厂房出现火灾,造成厂房倒塌;时隔两年,北京一家具城发生火灾,致使该钢结构的建筑整体垮塌。

2 钢结构抗火设计的目标与意义

2.1 钢结构抗火设计的目标旨在使结构构件的实际耐火时间

≧规定的耐火极限。图1所示(ET、E是高温与常温下钢材的弹性模量;fy T、fy是高温和常温下钢材的屈服强度)为结构钢的强度与刚度在火灾高温下均会极速下降;而火灾升温迅速,如表1。因此,未采取防火保护的钢构件,一旦发生火灾,就极易遭到破坏。

2.2 结构抗火设计的意义

①防止在火灾中,结构整体垮塌致使人员伤亡;②降低火灾后对结构进行修复的费用,使结构功能在较短时间内得到恢复,从而缩减间接的经济损失;③能够在火灾中减少或阻止结构的局部垮塌带来的灭火困难和人员的疏散不畅。

3 基于计算的现代钢结构抗火设计方法

3.1 基本思想和方法

相比于传统的基于试验的钢结构抗火设计方法而言,基于计算的钢结构抗火设计方法有较大的进步性。当前,很多国家已广泛接受此法,同时将其纳入设计规范中。该法在对耐火极限进行判断时,依据的是高温下构件的承载力极限状态,对温度内力的影响加之考虑。

《上海市钢结构防火技术规程》作为我国首部钢结构抗火设计标准就使用了该法,计算过程为:①通过明确的防火措施,确定防火被覆厚度;②基于明确的防火措施以及耐火极限,对构件的内部温度进行计算;③通过明确高温状态下钢的材料参数,对作用于外荷载与温度下的构件内力进行计算;④对荷载效应进行组合;⑤按照构件与受载的类型,对结构中该构件的抗火承载力极限状态进行验算;⑥若设定的防火被覆厚度太小或太大时,应对其调整,同时对上述步骤进行重复。

3.2 火灾下钢构件的内部温度

火灾下,通常要对钢结构采取防火措施,旨在达到结构耐火极限的要求。当前,对其进行防火保护主要通过包覆防火涂料或防火板。因为钢材具有良好的导热性,对于钢结构的内部温度,首先假定为均匀分布,之后,通过灾环境传入钢构件的热量=钢构件吸收的热量,于是在火灾条件下,钢构件升温微分方程便建立。求解此方程,同时将其近似简化,能够取得在标准火灾升温的情况下,钢构件的内部温度TS(℃)随火灾发生后时间t(s)变化的计算公式::TS(t)=0.044+5.0×10-5姨B-0.姨姨2t+TSO(1)

式中:TS为钢构件的内部温度;TS0为火灾前构件的初始温度,通常取值为20℃。

式中:λi为保护层的导热系数[W/(m·K)];Fi为单位构件长度的保护层内表面积(m2/m);Ci和ρi分别为保护层的比热[J/(kg·K)]与密度(kg/m3);CS和ρS分别为钢材的比热[J/(kg·K)]与密度(kg/m3);V为单位长度构件的体积(m3/m);di为保护层厚度(m)。

3.3 高温下钢材的材料参数

钢构件抗火承载力极限状态在很大程度上受到以下两个主要的高温钢材材料参数的影响:①屈服强度;②弹性模量。根据相关研究,不同的高温钢材材料参数值有相对大的差异,为了通过其做成构件的抗火计算,最好专门地研究不同钢材的高温材料参数。

3.4 火灾条件下荷载效应组合

在火灾条件下,设定结构常规使用的过程中最可能产生发的荷载,并且应将火灾产生的温度内力以及风载考虑在内,获得结构抗火设计的荷载效应组合式:

式中:S为荷载组合效应;CG、CW、CF依次为永久荷载效应系数、风载效应系数和温度效应系数;CQi和Qik分别为楼面或屋面活载效应系数和标准值;GK、WK分别为永久荷载标准值和风载标准值;γF、γG分别为温度效应的分项系数与永久荷载分项系数(均取1.0);γw为风载分项系数,选不利情况(取0或0.3);γQi为楼面或屋面活载分项系数(取0.7);△T是构件的温度变化。

3.5 钢构件抗火承载力极限状态验算

通过高温钢材的材料参数,根据类似常温状态下的不同钢构件极限承载力的确定方法,能够获得高温下不同钢构件的极限承载力,从而验算钢构件抗火承载力极限状态。采用的验算公式如下:

3.5.1 轴心受压构件

式中:φ为常温下对应长细比与截面类型的轴心受压柱的稳定系数,按照现行钢结构设计规范相关规定确定;A为柱的毛截面面积;φT为高温下轴心受压构件的稳定系数(φT=a·φ);N为火灾下构件所受的轴压力设计值;a为系数,按照构件温度与长细比确定。如表2所示。

3.5.2 受弯构件

式中:Φb为常温下对应长细比与截面类型的钢梁的整体稳定系数,按照现行钢结构设计规范相关规定确定;TS、Wx分别为钢梁的平均温度、绕z轴的毛截面抵抗矩;Mx为火灾下梁的最大弯矩设计值;ab是系数,根据下式确定:

Φb T为高温下钢梁的整体稳定系数(Φb T=ab准b)。

若Φb T>0.6,根据下式把Φb T修正为Φb T。

3.5.3 偏心受压构件

式中:βm、βt为等效弯矩系数,按照现行钢结构设计规范相关规定确定;MX、N分别是最大弯矩设计值、火灾下偏心受压构件轴力;λX为构件弯矩作用平面内柱的长细比;ɸy T、ɸx T,分别是高温下平面外轴压构件整体稳定系数、弯矩作用平面内轴压构件整体稳定系数;ɸb T、NEXT分别为高温下均匀受弯构件整体稳定系数和弯矩作用平面内的欧拉临界力。

4 试验验证

根据公安部天津消防科学研究所对钢梁、钢轴压柱钢偏压柱的抗火试验结果,验证了前述钢结构抗火计算与设计方法的有效性。

4.1 钢梁抗火试验

钢梁使用Q235钢,钢材料实测屈服强度fy=225MPa。

在框架结构中,为模拟由于周边构件的约束使得钢梁引起温度内力,进而抗火性能受到影响的情况,在其两端设定了刚度相当大的两个桁架,借助拉杆连接两端桁架,旨在对其轴向热膨胀变形进行约束。为了对钢梁提供约束,将40mm厚的陶瓷棉包裹在拉杆表面,让钢梁的热膨胀大于拉杆的热膨胀。

钢梁的外表敷涂SJ-2型,厚为15mm的防火涂料。钢梁上使用4点加载。钢梁在试验炉内根据表1升温,通过实测,获得梁与拉杆的平均温度和轴向平均变形以及梁的挠度实测曲线。

通过试验可知,钢梁的耐火时间是54min。根据上述方法计算,在将梁内温度内力考虑在内,钢梁达到高温承载力极限状态的时间是54.5min,同试验值相符。但是,若不把梁内温度内力考虑在内,通过计算获得的钢梁的耐火时间是68.5min,同实测值有26.7%的误差,进而得出,钢构件抗火性能受到梁内温度内力的影响是十分显著的。

4.2 钢柱抗火试验

钢柱亦使用Q235钢。轴压柱的试验荷载是4200kN,同常温下极限荷载的比是0.58;偏压柱的试验荷载是3600kN,同常温下极限荷载的比是0.76。钢柱两端使用铰支承,能够自由旋转和膨胀,所以,在受火时,钢柱不会出现温度内力。

通过试验可知,轴压柱的耐火极限是88min,通过计算获得的是94min,同实测值有6.82%的误差;偏压柱的耐火极限是85.2min,通过计算获得的是90min,同实测值有5.63%的误差。进而得出,试验结果和计算结果符合较好。

5 结束语

在火灾中,未采取防火保护的钢结构十分容易遭到破坏,因此,在钢结构设计中,抗火设计是一项重要内容。传统的钢结构抗火设计只是按照标准构件的耐火试验数据,没有考虑在火灾中钢结构的破坏,实际上是一种高温下的受力破坏的实质。

摘要：本文从结构观点,介绍了基于高温承载力极限状态的现代钢结构抗火设计方法,并由试验验证了这一方法的科学性、合理性与有效性。

关键词：钢结构,温度,抗火设计

参考文献

[1]李国强,蒋首超,林桂祥.钢结构抗火计算与设计.北京:中国建筑工业出版社,1999.6.

[2]上海市标准.钢结构防火技术规程,1999.7.

钢结构抗火的计算及措施 第3篇

钢结构式建筑的应用距今约有100年的历史,以其自重轻,施工快,抗震性能好等特点,尤其是工字型钢,在我国的工业厂房,大型公共设施,高层建筑方面得到广泛的应用,近年来住宅钢结构也有了很大的发展。但是钢结构一个致命弱点是不耐火,高温下钢材的性能会有很大的变化。所以当钢结构建筑没有采取防火保护的时候,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏[1]。国内外这方面的例子很多:1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾,钢结构屋顶被烧塌;1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾,楼盖钢梁被烧扭曲10 cm左右;1998年北京玉泉营家具城发生火灾,造成该建筑物整体倒塌[2]。因此,研究钢结构的抗火具有重要意义。

1 火灾下钢结构内部温度场计算

1.1 传热学基本原理

在整个火灾发展过程中,火场及结构的热工性能都随着时间变化,因此,钢结构内部温度场属于非线性瞬态问题,其控制方程是一个非线性抛物线形的偏微分方程[3]。由傅立叶导热定律及热平衡原理可得钢结构内部温度场的数学模型为:

$\rho c\frac{\partial {\rm T}}{\partial t}=\lambda \left(\frac{\partial {}^2{\rm T}}{\partial x{}^2}+\frac{\partial {}^2{\rm T}}{\partial y{}^2}+\frac{\partial {}^2{\rm T}}{\partial z{}^2}\right)$ (1)

其中,ρ为材料的体积密度,kg/m3;c为材料比热容;T为温度变量,℃;t为时间,s。

1.2 钢结构内部温度场的假定

1)认为温度场的分布沿梁、柱等钢构件的长度方向不变;对于板、壳类构件,假定其内部温度场只沿厚度方向变化。2)因为钢是一种导热性能非常好的材料,所以对于壁薄的钢构件或钢板,可以进一步认为其温度沿着厚度均匀分布。3)实际工程中,有的钢构件表面没有隔热保护层,而大多数钢构件都有隔热保护层,因此习惯将钢构件分成有保护层的钢构件和无保护层的钢构件。

1.3 钢结构内部温度场的计算

1)均匀温度分布的解析方法。例如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结构构件的升温计算没有多大的影响。基于这种假定建立补充方程,就可以将联立方程(1)进行有关的推导,得到方程(1)的近似解析解。2)数值计算方法。对于构件的截面尺寸较大的升温问题,需要直接采用方程(1)进行求解,但即使采用二维的热传导模型也难于获得解析解,只有通过数值计算方法配合计算机程序来进行求解。采用最多的数值计算方法是有限差分法以及有限元与差分相结合的方法。3)实用计算方法。用有限差分法或有限元法来求解温度场分布的过程复杂,为了方便工程设计人员应用,针对工程实际情况,在试验或参数分析的基础上,各国标准对较为常见的构件形式提出了一些简便的方法。

2 钢结构抗火的设计方法

2.1 传统的抗火设计方法

传统的设计方法是以耐火试验法进行防火设计,根据确定的耐火等级选择构件的耐火极限和燃烧性能来选定构件的防火保护材料,用标准耐火试验核准其耐火极限[4]。

2.2 基于计算的现代钢结构抗火设计方法

利用计算的方法代替标准试验的方法是现代钢结构防火设计的发展方向。目前计算方法有很多种,主要有Ts—Te耐火设计方法、Ts—t耐火设计方法等。现在比较广泛采用的是我国第一部钢结构防火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》中使用的设计方法,各地方规程大同小异,但计算方法基本相同。其计算过程如下:

1)确定钢结构构件的防火保护层的厚度[5]。

2)计算构件在确定的耐火极限和防火措施下的内部温度。

3)利用钢材在确定高温下的材料参数,计算构件在外荷载和温度作用下的内力。

4)进行荷载效应组合:

S=γGCGGK+∑γQjCQjQK+γWCWWK+γFCF(ΔT) (2)

其中,S为荷载组合效应;GK为永久荷载标准值;QK为屋面活载(不考虑屋面雪载)标准值;WK为风载标准值;ΔT为构件或结构的温度变化(考虑温度效应);γG为永久荷载分项系数,取1.0;γQj为屋面活载分项系数,取0.7;γW为风载分项系数,取0或0.3,选不利情况;γF为温度效应分项系数,取1.0;CG,CQj,CW,CF分别为恒载、活载、风载、温度影响的效应系数。

5)验算构件耐火承载力极限状态,要求S≤R,其中,R为确定温度条件下的构件极限承载力[3]。

6)当假定的防火被覆厚度不合适(过大或过小)时,重新设定被覆厚度,并重复2)～5)步骤,直到满足经济安全的原则为止。这种设计方法可以避免传统的基于试验的设计方法的许多问题,因此此种基于整体结构的承载能力极限状态进行的防火设计更为合理[6]。

3 钢结构抗火的措施

3.1 提高钢结构抗火性能的主要方法

1)水冷却法:

美国匹兹堡64层的美国钢铁公司大厦在呈空心截面的钢柱内充水,并与设计顶部的水箱相连,形成封闭冷却系统。如火灾发生钢柱的水被加热而上升,水箱冷水流下而产生循环,以水的循环将火灾产生的热量带走,以保证钢柱不会升温过高,而丧失承载能力。这种方法由于对结构设计有专门的要求,目前实际很少应用。

2)单面屏蔽法:

在钢构件的迎火面设置阻火屏障,将构件与火焰隔开。这种在特殊部位设置防火屏障措施不失为一种较经济的钢构件防火方法。主要用在铸造车间等有高热源建筑的特殊部位。

3)浇筑混凝土或砌筑耐火砖:

采用混凝土或耐火砖完全封闭钢构件。这种方法优点是强度高,耐冲击,但缺点是要占用空间较大;另外,施工也较麻烦,特别在钢梁、斜撑上,施工十分困难。

4)采用耐火轻质板材作为防火外包层:

采用纤维增强水泥板(如TK板、FC板)、石膏板、硅酸钙板将钢构件包覆起来。用于钢柱防火占用空间少,综合造价中高等。

5)涂抹防火涂料:

将防火涂料涂覆于钢材表面。这种方法简便、重量轻、耐火时间长,而且不受钢构件几何形状限制,具有较好的经济性和实用性。

3.2 钢结构防火涂料的应用

3.2.1 防火涂料的分类

钢结构防火涂料的品种较多,通常按防火机理分为膨胀型和非膨胀型两大系列[7]。

1)膨胀型防火涂料,又称薄型防火涂料,厚度一般为2 mm～7 mm,其基料为有机树脂,这种涂料用于钢结构的防火,耐火极限可达0.5 h～1.5 h。它涂层薄、质量轻、抗震性好,有较好的装饰性,缺点是施工时气味较大,涂层易老化,若处于吸湿受潮状态会失去膨胀性。2)非膨胀型防火涂料,主要成分为无机绝热材料,遇火不膨胀,自身具有良好的隔热性,故又称隔热型防火涂料。其涂层厚度为7 mm～50 mm,对应耐火极限可达到0.5 h～3 h以上。因其涂层比薄型涂料的厚度要厚得多,因此又称之厚质防火涂料。厚质防火涂料一般不燃、无毒、耐老化、耐久性较可靠,构件的耐火极限可达3 h以上,适用于永久性建筑中。

3.2.2 涂料的选用

选用钢结构防火涂料时,应考虑结构类型、耐火极限要求、工作环境等,选用原则如下:

1)裸露网架钢结构、轻钢屋架,及其他构件截面小、振动挠曲变化大的钢结构,当要求其耐火极限在1.5 h以下时,宜选用薄涂型钢结构防火涂料,装饰要求较高的建筑宜首选超薄型钢结构防火涂料。

2)室内隐蔽钢结构、高层等永久性建筑当要求耐火极限在1.5 h以上时,应选用厚涂型钢结构防火涂料。

3)露天钢结构,必须选用适合室外使用的钢结构防火涂料。

3.2.3 涂料的施工

1)钢结构表面应根据使用要求进行除锈防锈处理。2)无防锈涂料的钢表面,防火涂料或打底料应对钢表面无腐蚀作用;涂防锈漆的钢表面,防锈漆应与防火涂料相容,不会产生皂化等不良反应。3)严格按配合比加料和稀释剂(包括水),使浆料稠度合适。4)施工过程中和涂层干燥固化前,除水泥系防火涂料外,环境温度宜控制在5 ℃～38 ℃;施工时环境相对湿度不宜大于90%;空气应流通;当构件表面有结露时,不宜作业。

4 结语

近年来,钢结构已经广泛应用于各种工程技术领域,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,因此,对钢结构进行有效的抗火设计具有重要作用。

摘要：介绍了火灾下钢结构内部温度场计算、钢结构抗火的设计方法,并总结了钢结构抗火的措施、防火涂料的选用与施工要求,为钢结构抗火设计积累了经验,对钢结构抗火性能的进一步研究具有重要的意义。

关键词：钢结构,抗火,温度场

参考文献

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结构抗火研究现状 第4篇

长期以来,建筑物的防火设计主要是由建筑师来完成的。建筑师根据房屋建筑的重要性、使用功能、层数、长度、面积、火灾危险性、疏散、扑救难度以及其主、被动防火系统的设置等情况确定建筑物的耐火等级。然后根据建筑物的耐火等级确定其构件的耐火极限要求,以保证受灾人员转移和消防队员扑救的时间。我国公安部消防研究所根据抗火试验得到了一些不同类型、型号、防火保护的构件所具备的耐火极限,供设计者选用,据此可完成部分建筑结构的抗火设计。

1 材料的高温力学性能

在短期高温(比如火灾)下,一般来说普通混凝土抗压强度,在400 ℃以内可以近似认为不变,700 ℃时约为其常温时的40%;建筑中常用的普通钢材的屈服强度,在200 ℃以内可近似认为不变,550 ℃时约为其常温时的40%;预应力筋用高强钢材条件屈服强度随温度升高将逐渐降低,到400 ℃时约为其常温时的40%,如图1所示。经历过不大于500 ℃高温的普通混凝土在空气中放置一年后其抗压强度基本恢复,经历大于500 ℃高温后抗压强度比高温下抗压强度要低10%～20%[3];普通钢材所经历的温度在600 ℃以下力学性能基本恢复;预应力筋用高强钢材所经历的温度在400 ℃以下时,高温后内力学性能大多可以恢复,经历600 ℃高温后强度可以恢复至受损前的60%左右。

2 温度场

温度在时间域和空间域的分布,称为温度场。火灾下材料的力学性能与温度密切相关,了解结构构件的温度场是结构抗火分析的前提。火灾时,热量通过辐射、对流的方式传递给结构构件表面,再通过传导向构件内部传递,经过构件背火面又传给另一防火分区。

2.1 建筑火灾的模拟

建筑火灾的发展经历包括火灾起始、充分发展、衰灭三个阶段,是一个复杂的燃烧、传热、传质、湍流过程,与可燃物情况、空间特征、通风情况等许多因素有关。对火灾的模拟可分为经验模拟、半经验半物理模拟、物理模拟三类。经验模拟是通过经验公式来模拟火灾温度随时间的变化,物理模拟是以化学流体力学为基础来模拟火灾过程[4,5]。许多学者致力于探寻火灾规律的研究,美国国家建筑与火灾研究实验室根据物理模拟模型和半经验半物理模拟模型分别开发了FDS和CFAST火灾模拟软件。

2.2 标准升温曲线

为了使各抗火试验的结果能够进行比较与利用,许多国家和组织都制订了室内火灾标准升温曲线,各曲线相近,我国采用的是国际标准化协会(ISO)给出的标准升温曲线。前面所述的构件耐火极限即是构件抵抗该标准火作用的时间。

当比较准确地知道影响火灾的参数值时,也可采用参数化升温曲线模拟火灾,然后通过等效爆火时间的概念,将参数化升温曲线与标准升温曲线联系起来。等效爆火时间为按参数化曲线升温与按标准曲线升温对构件造成的损伤程度相同时的标准升温时间,钢结构可取构件温度相同时的时间。标准升温曲线和参数化升温曲线均属于经验模拟。

2.3 构件内温度场的计算

构件内的传导过程是一个非线性瞬态问题,求非稳定温度场主要有4种方法,即解析法、数值法、图表法、实测法。

一般认为温度场不受应力场的影响,可不考虑受力过程而独立计算。为了简化计算,目前普遍偏于安全地假设构件的温度分布沿长轴方向不变,即简化成无限大平板或无限长梁、柱的一维或二维问题,于是温度场分析均可以以构件截面为研究对象。

钢材是热的良导体,轻型钢构件可假定截面上各点温度相同,然后用简化公式来估算有或没有防火保护情况下的温度值,重型钢构件可假定成温度各自均匀的几个部分。混凝土是热的不良导体,其截面内温度梯度较大,对于复杂几何形状的物体和非线性边界条件下的导热问题很难直接求得其温度场,研究中通常采用数值法求解。许多研究者开发了火灾下构件温度场计算的专业程序,一些通用的有限元软件也可以计算构件温度场,计算结果均较为满意。

混凝土材料中含有液态水、物理吸附水和结晶水,水分的运动及蒸发对构件温度场有一定的影响,但计算混凝土内部的水分运动及准确分析以多种形式存在的水分相变(这里指液体变成气体)的吸热是十分复杂的。因此,目前计算混凝土构件内的温度场时,一般在混凝土热工参数的确定上间接考虑这一影响,而不直接计算。不考虑水分吸热通常是偏于安全的,若在含水率较大的情况下,比如对后张有粘结预应力混凝土结构用的灌浆料,可采用在100℃～200℃之间调大混凝土比热的方法(从100℃开始上升,130℃达到峰值,200℃回到原比热值)来考虑水分的影响。

文中通过对结构抗火研究现状的综述,介绍了材料的高温力学性能和温度场分布,论述了结构抗火计算方法。

参考文献

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[2]GB 50045-95,高层民用建筑设计防火规范(2003年版)[S].

[3]A.Φ.米洛瓦诺夫.耐热钢筋混凝土结构计算[M].周永铨,译.北京:冶金工业出版社,1981.

[4]刘永军,李宏男.建筑结构抗火性能研究回顾及展望[J].防灾减灾工程学报,2004,24(2):219-226.

某高架仓库钢结构抗火安全评估 第5篇

关键词：高架仓库,钢结构,抗火安全评估,火作用,温度应力

由于钢结构耐火性能差,耐火极限短,一般都要进行耐火设计或评估,通过防火保护提高钢结构在火灾中的耐火性能。2006年,同济大学曾采用标准升温曲线作为火作用对广州新电视塔火作用下钢结构进行安全评估;建研防火设计性能分析评估中心有限公司以标准升温曲线作为火作用,采用有限元方法对河南省广播电视发射塔工程钢结构进行瞬态热分析。上述评估均采取标准火作用,与实际工程有一定差别,同时未考虑构件之间的温度应力,与实际不符。笔者以某高架仓库为对象,根据建筑结构性能化抗火评估原则,即“具体结构具体分析,具体火环境具体分析”,运用工程学原理,得出较为科学的评估结论,并针对工程实际存在的问题,提出合理可行的技术措施,保证钢结构工程安全可靠。

1 高架仓库结构概况

某轮胎有限公司以研制和加工生产高科技汽车轮胎制品为主。所研究工程高架仓库采用全钢结构,主要构件材料为Q345B钢材,设计强度315 N/mm2。 库区长122.5m,由70个长为1.75m的储存隔间组成。宽41m,由14个宽度为1.661m的储存隔间组成,各个隔间之间设置宽度为2.021m的通道,用于升降机取放轮台。结构体系采用密柱货架直接支承屋盖结构的门式刚架。柱顶标高为40.55m,分为17层储存隔间。横向门架仅在奇数列布置门架梁,在偶数列不布置门架梁。每个隔间分2层存放10 个轮胎,直接放在2 个相邻的钢梁之间。横向、纵向、竖向每个隔间之间并未设置分隔构件。图1为高架仓库结构平面图。图2为高架仓库横向刚架梁结构图(对称轴左侧部分)。

计算的仓库结构主要构件的几何参数,如表1所示。

2 高架仓库火作用

2.1 货架介绍

本高架仓库专门用于储存轮胎。储存隔间共计70×14×17=16 660个,每个隔间10个轮胎。满储存时共计166 600个轮胎,该仓库专门用于储存某特定工厂生产的轮胎,其规格是确定的。轮胎在仓库纵向储存位置示意图如图3所示。横向储存位置示意图如图4所示。

2.2 火作用模型

依据国家消防工程技术研究中心针对所储存轮胎开展的实体轮胎火灾试验结果设计火作用模型。具体试验过程及结果详见文献[4]。依据该试验结果,该仓库火灾发展的各主要时间节点如表2所示。

依据表2,对该仓库火灾做如下假定:假设轮胎仓库火灾达到稳定燃烧时段的平均温度为800 ℃;2个标准存储隔间稳定燃烧持续时间为140×10=1 400s;存储隔间达到稳定燃烧的时间取180s;存储隔间纵向点燃时间为火源隔间点燃后60s;存储隔间竖向向上蔓延点燃时间为下一隔间点燃后70s;存储隔间火灾熄灭时间为持续稳定燃烧完毕后300s。

根据上述假设,每个隔间的火灾温度如式(1)所示。

式中:Tf为火灾平均温度,℃;t为火灾持续时间,s。

3 钢构件温度计算

3.1 火灾场景设计

取仓库纵向中间部位某一榀支撑斜梁的刚架(纵向奇数列)作为计算单元,火灾只在纵向、竖向上下储存隔间蔓延,如图4所示。

根据这种火灾蔓延方式,最不利火灾场景只有一种,即在货架底层起火,向上和沿仓库纵向延烧,直至把该列货架所存轮胎烧完后熄灭(不考虑灭火设施作用),火灾的持续时间最长。

3.2 温度计算模型

假定在火灾达到稳定燃烧时,各个储存隔间空间各点温度处处相同,所以在同一隔间内,钢柱的温度也是均匀的。把钢柱总高度沿轴向按2.32 m划分为17 个单元,每个储存隔间的钢构件受到本层和所有下层隔间的火焰或烟气的热作用,取本层和下层烟气的最高温度计算构件温度。火焰烟气在上升中温度会降低,假定每上升1层,温度降低150 ℃。例如,1层起火后180s,1层温度按800℃计算,2层虽已被引燃,但未达到稳定燃烧,只有497 ℃,所以2层温度按650 ℃计算,3层按500 ℃计算,4层按350℃计算,5层按200℃计算,6层按50℃计算,7层以上不考虑。按此原则可计算出1至17层火作用的温度随时间的值。图5为1、6、17层储存隔间的火作用温度-时间曲线。

火灾下钢构件的升温可按如式(2)所示的增量法计算,其初始温度取20 ℃,具体过程详见文献[5]。

式中:Δt为时间增量,s;Ts为钢构件温度,℃;Tg为火灾下钢构件周围空气温度,℃;B为钢构件单位长度综合传热系数,W/(m3·℃);cs为钢材比热容;ρs为钢材密度。

按上述文献所采用的集总热容法所建立的温度计算模型,取 Δt=1s,可编程计算各存储隔间钢柱和钢梁的温度,图6和图7为1、6、17层未保护钢柱和钢梁的温度时间-曲线。

4 结构抗火安全评估

4.1 未保护高架仓库抗火安全评估

此研究不考虑变形,只考虑内力分量,并以截面上的应力来表达。作用效应由两部分组成,常规作用效应和温度作用效应。采用下式进行作用效应组合:1.1 永久荷载+1.2雪荷载+1.1活载+1.0温度荷载(热膨胀引起的间接作用)。

4.1.1 荷载计算

取图8所示的门架作为计算单元,其负载面积横向为3.672m,纵向为3.5m。

根据结构设计说明,常规作用荷载如下:屋面雪荷载0.42kN/m2;屋面恒载0.22kN/m2;屋面活荷载1.2kN/m2;屋面附加荷载0.11kN/m;小计1.95kN/m2。

根据图2,将每根C4柱负荷范围的荷载直接折算到该柱柱顶,集中力p=13.97kN。

每层C4柱及相关构件自重计算每层货架柱底节点力结果如下:LA梁0.096kN;LAT2,斜撑0.063kN;纵向水平系杆B1为0.053kN;纵向水平斜杆DB1为0.064kN;C4柱0.274kN;储存轮胎3.675kN;小计4.65kN。

4.1.2 构件内力及初应力计算

对于大多数内柱,主要承受轴力而弯矩很小,可按轴心受压构件考虑。根据图2,中间列货架临近通道的2根C4钢柱受力最大,选取起火柱列右侧钢柱作为目标评估对象,其常规作用效应,柱子在顶端承受斜梁集中力p=13.97kN,向下每延长一个储存隔间高度,轴力增加4.65kN。由于1层钢柱的轴力最大,而1层与上层钢柱的温度相同,所以取1层钢柱作为评估对象。根据构件参数,钢柱的初应力为:σ0=N/(A·φ)=71.3N/mm2。

横梁LA直接承受轮胎重力,储存轮胎柱子的节点力折算成均布荷载为2.434kN/m,将梁在横向视为简支梁,其跨中弯矩M=0.839kN·m。梁与柱连接根部弯矩M=0.562kN·m。钢梁最大正应力为839 000/7 750=108N/mm2。

4.1.3 构件抗力评估

构件抗力是指构件在火灾中随温度升高后的抵抗荷载的能力,如以应力方式表达则为钢材的高温设计强度,此研究按英国BS 5950《钢结构规范》取值计算。根据温度计算结果,未保护的货架柱和梁的最高温度为710 ℃,根据BS 5950钢材高温强度折减系数为0.174,故构件的抗力亦即钢材的高温设计强度为fyT=54.9N/mm2。

4.1.4 结构安全评估

根据结构的极限状态设计原理,只有当结构抗力大于作用效应时,结构才处于可靠状态,否则结构失效。不考虑钢柱的温度应力,钢柱的作用效应:Sf=σ0=71.3>fyT=54.9N/mm2。钢梁因约束作用很小,不考虑温度应力,其作用效应Sf=σ0=108>fyT=54.9N/mm2。因此,货架钢柱和钢梁失效,必须采取技术措施才能保证钢结构安全。

4.2 改善钢结构抗火安全性能的技术措施

为保证高架仓库钢结构即使在灭火设施失效极端不利情况下仍能保证安全,提出如下技术方案:

(1)为兼顾保护屋面彩钢板,在门架斜梁下表面全部水平设置防火吊顶,要求防火板在800 ℃内的平均导热系数不超过0.15 W/(m·℃),其厚度为20mm。

(2)钢柱、钢梁、支撑等其他构件喷涂厚涂型防火涂料,要求涂料在800 ℃内的平均导热系数不超过0.1 W/(m·℃),喷涂厚度10mm。

4.3 设置保护层的高架仓库抗火安全评估

上述技术措施能否保证仓库钢结构的抗火安全,需要重新进行评估。由于估计到原设计不能满足抗火安全,为简单起见,在不考虑钢柱的温度应力情况下进行评估。设置保护层后的评估必须考虑钢柱受到轴向约束所产生的温度应力。

4.3.1 钢柱温度计算

喷涂导热系数为0.1 W/(m·℃),厚度为10 mm的涂料后,重新编程计算钢柱的温度。图9为受保护的1、6、17层钢柱温度-时间曲线。设置保护层后,钢柱的温度由原来的710 ℃降低到395~401 ℃。

4.3.2 货架钢柱温度应力计算

采取笔者建议的技术措施后,钢梁和屋面系统因约束作用较小,不考虑温度应力,可以保证抗火安全。以下对货架钢柱的温度应力进行计算。

采用文献[7]温度应力计算方法来评估钢柱的温度应力。温度应力水平亦即温度应力与钢材常温设计强度之比,计算公式如式(3)所示。

式中:ΔT为钢柱与环境的平均温升,℃;k1为弹性段斜率;T1、T2、T3为各段温度分界点。

根据4.3.1节钢柱温度计算结果,目标柱1层在30min时达到最高温度395 ℃,此时柱全高平均温度为327℃。根据4.1.2节计算结果确定目标柱初始应力水平,根据钢构件尺寸确定长细比,利用结构力学求解器计算出目标柱顶端变形,并求其倒数获得钢柱的约束刚度。由以上参数,依据文献[7]计算目标柱温度应力水平。经计算,目标柱在最高温度时温度应力为80.1N/mm2。

4.3.3 受保护货架安全评估

目标柱1层在30min时达到最高温度395 ℃,根据英国规范,钢材高温强度折减系数为0.800 8,构件的抗力亦即钢材的高温设计强度为:fyT=0.800 8×315=252.3N/mm2。

根据4.1.2节,目标柱初始应力为71.3N/mm2,根据4.3.2节,目标柱温度应力为80.1N/mm2。根据结构的极限状态设计原理:Sf=71.3+80.1=151.4<fyT=252.3N/mm2。

可知设置保护层后,钢柱的温度显著降低,其材料强度显著提高,即使在最不利的1层货架,初应力与温度应力之和为151.4N/mm2,远小于此时的钢材强度252.3N/mm2,所以结构处于可靠状态。评估所选钢柱处于货架中间部位,斜梁的截面高度最大,约束刚度也最大,温度应力也最大的最不利位置,可以推断,其余货架钢柱可保证安全。

参考文献

[1]公安部消防局.中国火灾统计年鉴[M].1997-2003.

[2]同济大学.广州新电视塔火灾下结构安全评估报告评估报告[R],2006.

[3]建研防火设计性能分析评估中心有限公司.河南省广播电视发射塔工程消防性能化设计分析报告[R],2006.

[4]国家消防工程技术研究中心.锦湖轮胎高架自动仓库消防安全技术评估报告[R].

[5]CECS 200:2006,建筑钢结构防火技术规范[S].

[6]BS 5950,Structural use of steelwork in building,Part 8.Code of practice for fire resistance design[S].

整体钢结构抗火 第6篇

1 典型火灾论钢结构建筑防火与抗火设计问题的分析

目前我国的典型火灾钢结构建筑的防火与抗火设计存在以下的问题:钢结构抗火性能存在的问题。耐火性能不高的建筑, 极易发生火灾事故。比如我国的部分钢结构的高层建筑, 其耐火等级未达到二级及以上的水平, 在这类建筑中, 如果有人燃放烟花爆竹或者出现电线短路的现象, 旁边又存放有易燃物, 便立即会引发火灾, 而建筑抗火性能不足易使火灾范围扩大。钢结构整体性能存在的问题。如果钢结构建筑的整体性能不足, 一旦发生火灾事件以后, 钢结构建筑便易迅速出现钢材质性能改变, , 房房屋屋塌塌落等等问题。经过本次研究统计, 一旦发生火灾以后, 大量的居民无法逃生, 其中90%的居民为窒息而死, 这就说明这些建筑的整体性能存在问题, 火灾发生以后, 人们难以顺利逃生。钢结构防火区域划分的问题。部分钢结构建筑或者超高建筑没有合理的分布防火区域。比如我国部分钢结构建筑或超高型建筑没有按国家相关的规定作好防火分区布置, 一旦出现安全问题以后, 建筑会由于人口密集等原因, 不便逃生、不便做好防火灭火处理, 导致火灾范围扩大。

2 优化典型火灾论钢结构建筑防火与抗火设计的要点

2.1 主动防火方式设计的要点

1) 提高建筑的耐火性能。国家对建筑物的耐火等级作出过规定。国家规定重要的建筑和高层建筑的耐火等级必须为一级耐火等级, 年限为100年以上;一般性建筑的耐火等级为二级耐火等级, 年限为50年~100年;次要的建筑耐火等级为三级耐火等级, 年限为25年~50年;临时性建筑的耐火等级为四级耐火等级, 耐火年限为15年以下。目前钢结构建筑一般应用于高层建筑与超高层建筑中, 即钢结构建筑的耐火等级至少需为二等。建筑施工单位要意识到, 目前我国规定了建筑终身责任制度, 即建筑如果发生了火灾事故问题, 相关部门要终身追究相关的责任。为了防止火灾事故发生, 建筑施工单位要按照相关的规定用一级耐火标准或二级耐火标准控制关键结构的质量。2) 合理划分防火的区域。在钢结构的建筑中, 国家对防火的区域作出规定。国家规定一、二级民用建筑的防火间距必须大于6 m、高层建筑一、二级耐火等级的高层建筑防火距离必须大于13 m, 一二等级的厂房防火距离需大于10 m。在防火的区域内, 施工单位需为建筑配置防火分区, 而防火分区内要设计好防火通道、排烟设计、报警设备等。据了解, 由于部分施工单位没有合理的划分防火区域, 所以建筑的防火性能不足。为了作好钢结构建筑的防火与抗火设计, 施工单位必须按国家规定的标准划分防火区域, 做好防火设计安排。3) 应用排除烟火的技术。施工单位需了解, 钢结构建筑中居住人员多, 容易引起火灾事件, 烟火的蔓延容易助长火势, 更易在火灾时引起窒息死亡事故。为了加强钢结构建筑的防火与抗火性能, 施工单位需做好排除烟火的设计。施工单位在做排除烟火设计以前, 需要了解烟火流动的速度, 据科学研究发现, 火灾的初期, 烟火蔓延的速度为每秒钟0.1 m~0.3 m;火势进入中期, 烟火蔓延的速度为每秒钟0.5 m~0.8 m, 其中垂直蔓延的速度加快;至火势发展的后期, 烟火蔓延的速度可达每秒6 m~8 m, 烟火温度可高达600℃。施工单位要根据这些数据科学的划分防火区域, 作好疏散的规划, 设置防火抗火设备。施工单位可在防火区域中设置机械排烟设置, 以此方法控制火势。4) 应用火灾报警的技术。随着信息技术的发展, 目前人们已经研制出较为先进的火灾安全监控系统, 这种监控系统的传感器能够准确的收集温度、烟火等数据, 它具备火焰型火灾探测器的功能。传感器将收集的数据即时传送给中央控制系统, 中央系统会自动分析传来的数据, 判断是否出现火灾事故即火灾事故出现的区域。监控人员可通过监控即时监控火灾事故, 如果发现火灾事故, 可根据火灾安全监控系统给出的数据即时做好防火、抗火的安排。5) 落实灭火喷水的设施。在钢结构建筑中, 如何科学的灭火喷水, 是有效解决火灾事故的关键。如果灭火喷水的系统喷水的对象为火势, 有可能火势太大不能被迅速扑灭, 而喷出的火被蒸发形成烟而加快火势蔓延。钢材质不耐火, 如果温度过高, 钢结构材质可能就会产生物理变化, 建筑本身会受到破坏。为了优化钢结构建筑的防火抗火性能, 施工单位需缩短喷水的响应时间, 以便一旦火起, 喷水便能集中水资源灭火;同时施工单位要为钢建筑裸露的构件设计喷水措施, 以便火起时, 喷水系统能有效的为钢材质降温。

2.2 被动防火方式设计的要点

1) 截流法的应用方法。截流法应用的原理, 就是给钢材质设计一个隔离层, 让温度及火势不易影响钢材质。目前部分施工单位应用加密柱距的方法为钢材质建立隔离层。喷涂法是目前较为常用的一种截流防火方法, 这种方法是为钢材质涂上防火材料, 这种方法存在缺陷, 目前防火材料的质量参差不齐, 而且钢建筑的环境差异性较大, 有时防火材料不能有效的防火。包敷法是指在钢材料外包敷硬硅钙板, 提高防火性能。包敷法施工的成本较低、施工较易、效果良好, 目前被普遍采用, 应用这种方法, 钢材质的耐火时间可延至40 h, 能耐1 000℃以上的高温。

2) 疏导法的应用方法。疏导法是指为钢结构件建立一个疏导管, 疏导管构成水网, 如果发生火灾, 疏导管会将热量传递给水网, 水网接收热量以后, 沿着疏导管的排气口排出, 这种方法能降低火灾时的温度, 保护钢材质。

3 结语

目前我国的很多建筑为钢结构建筑, 钢结构本身不耐火, 一旦出现火灾事故以后, 钢结构的性能可能会发生改变, 建筑有可能会出现全部崩塌或局部崩塌的事故。为了提高钢结构建筑的防火抗火性能, 以典型火灾论的视角提高钢结构建筑防火与抗火性能设计有非常重要的意义。本次研究提出了典型火灾论钢结构建筑防火与抗火设计的方法, 建筑施工单位应用这种方法能够提高钢结构建筑的防火抗火设计的水平。

参考文献

[1]李胜强.钢—混凝土组合结构的抗火设计[J].茂名学院学报, 2005 (4) :32.

[2]郭士雄, 李国强.火灾下约束钢梁的受力性能及抗火设计方法[J].建筑结构, 2005 (12) :46.

[3]郑文忠, 侯晓萌.混凝土及预应力混凝土结构抗火设计建议[J].建筑科学, 2013 (5) :161-162.

[4]李国强, 丁军.耐火钢梁的抗火性能参数分析与抗火设计[J].钢结构, 2003 (5) :59-60.

整体钢结构抗火 第7篇

钢筋混凝土结构在遭受火灾高温时, 钢筋混凝土材料的性能会随着温度的升高结构产生体积膨胀、强度下降、结构构件刚度降低、挠度加大、表面龟裂、保护层脱落、钢筋外露、截面变细等。特别是高温对材料的力学性能产生显著的负面影响, 结构钢的屈服强度和弹性模量随着温度的升高而下降。结构构件由于不均匀的温度场应力导致构件弯曲变形, 结构内力产生重新分布, 这些都影响了结构的极限承载力, 改变了材料的破坏机理。

2 高温下钢筋在混凝土结构抗火中的性能特征

钢筋混凝土结构在高温作用下, 其承载力的大小与钢筋的强度关系密切。普通钢筋:当温度小于200℃时, 随着温度的升高, 钢筋的屈服强度与极限强度下降时的速率较为缓慢。

当温度在200～450℃时, 钢筋的强度随着温度的升高而下降的速率加快。当温度上升至450℃时, 钢筋强度下降时的速率显著加快。高温后, 随着时间的推移, 钢筋将会逐渐冷却下来, 其某些性能也将会得到适当的恢复。其强度要高于高温下的强度值;钢筋的延伸率和膨胀系数随着温度的升高而增加。预应力钢筋:预应力钢筋的强度在高温下降低的速率较快, 同时容易产生预应力损失。在交替温度应力的作用下, 预应力钢筋会因热胀冷缩现象产生应变变化。在高温环境下, 预应力钢筋的伸长应变与温差作用之间是非线性逻辑关系。高温下钢材的蠕变和松驰增加会使预应力钢筋中的预加应力值损失40%～50%;高温后, 预应力冷拔低碳钢丝和冷拔高强钢丝的抗拉强度值仅下降约10%左右。

3 高温下混凝土在混凝土结构抗火中的性能特征

混凝土是一种非均质热惰性材料。由于混凝土的导热性能差, 混凝土的强度等级、骨料级配及类型、配合比设计、升温时的速率等都将对其高温强度产生极大的影响。因此, 适当增加混凝土保护层的厚度可以有效地延缓混凝土内钢筋材料的升温进程;减轻因温度升高钢筋的强度下滑趋势。当混凝土受到高温作用时, 水泥石产生收缩, 使混凝土产生裂缝。混凝土中的骨料也会随着温度的升高而产生膨胀, 由于变形体中的非均质性会使混凝土产生裂缝。当混凝土中的温度上升到450℃以后, 混凝土中的Ca (OH) 2脱水生成CaO, 导致混凝土开裂严重。随着温度的继续升高, 混凝土中骨料的体积将会发生突变, 结构构件刚度降低, 强度明显下降, 表面呈现出龟裂、松驰、钢筋外露、脱皮等现象。高温作用后, 由于混凝土的传热性能差, 混凝土中的钢筋和混凝土结构构件因不均匀的温度场产生温度应力, 引起构件的弯曲变形。混凝土高温中脱水生成的CaO, 经吸水后结晶析出, 引起体积膨胀。当混凝土持续高温状态时, 混凝土中的耐热性、胶凝性、热梯度性等将会出现非线蒸气扩散现象。混凝土内的固体空间梯度与液体压力梯度形成高温脱流耦合效应, 混凝土的力学性能将进一步的退化。

4 钢筋混凝土结构抗火与分析

⑴受火后, 混凝土表面温度高于混凝土内部温度, 内外温差引起混凝土开裂。

⑵受火时, 由于混凝土各种材质中的水分快速汽化, 体积明显膨胀, 导致混凝土的强度下降。

⑶由于水泥石受热后分解, 破坏了水泥石中胶体的粘结力与耦合力。引起混凝土表面起砂、脱皮、呈现蜂窝状、出现龟状裂缝、边角溃散等等。

⑷随着持续高温扩散, 水泥石与骨料之间热均质相分离, 引发集中应力, 导致混凝土中裂缝的展开与贯通。

⑸钢筋混凝土构件受火时, 往往在受拉区沿梁、板的主筋方向出现纵向裂缝;构件支撑间跨中出现横裂缝, 造成两侧混凝土爆裂、剥落、钢筋外露等现象发生。

⑹混凝土构件在多面受火情况下, 一般中、上部受火较为严重, 楼板构件常处于最不利位置, 其破坏程度较梁、柱更为严重。

⑺高温后, 混凝土构件的强度主要取决于钢筋与混凝土之间的摩擦力、钢筋表面与水泥胶体的胶结力、混凝土和钢筋接触面的机械咬合力。

5 结构加固与安全技术

⑴在不增大结构构件截面的基础上恢复结构设计荷载的技术要求。

⑵对轻度损伤的混凝土结构, 可将混凝土结构的表面粉刷层或表面层的污物清除干净, 再重新做抹灰、粉刷处理。

⑶对梁加固时, 由于损害处主要在受拉区出现钢筋外露、混凝土层剥落, 所以加固时应附加相应的钢筋。在清除受损的表层后, 再将附加钢筋固置到梁上, 确保附加钢筋有效锚接。

⑷受损柱子的加固一般采取外包角钢方法进行。将角钢包于混凝土构件的四角, 角钢之间用缀板联结形成钢构架网。结合部位能有效传递剪力且共同受力, 使外包钢与原混凝土柱之间形成完整截面组合体。

⑸对混凝土楼板层, 应先凿除混凝土烧损层。再用钢丝刷清除楼板的表面浮灰, 用压力水冲洗干净后, 刷底胶一道, 再用1:1水泥浆分层抹平至原尺寸。

⑹通过采用混凝土的烧失量试验, 推定混凝土温度场的温度分布, 科学分析混凝土构件的温度场中应力与应变。

⑺根据受损后混凝土结构构件的程度不同, 选用不同的加固方法来满足《混凝土结构设计规范》和《混凝土结构加固技术规范》中的相关规定。

⑻在保证混凝土结构安全性前提下, 力求避免遗留加固的痕迹, 充分考虑建 (构) 筑物的整体美观和谐性。

⑼认真执行各种安全操作规程, 施工前应进行安全交底和安全教育。

6 结语

通过对钢筋混凝土结构抗火与安全性能研究, 建立科学的钢筋混凝土结构抗火设计方法;避免因混凝土结构在火灾中破坏或倒塌造成人员伤亡, 减少因混凝土结构在火灾中破坏或倒塌给社会和企业造成经济损失。提高建 (构) 筑物的安全等级和标准, 保证整体结构的安全目标, 拓展新的混凝土结构抗火技术, 加强高温下混凝土整体结构的承载能力和结构反应能力。这对节约建设投资、提高抗火风险具有着现实的社会经济意义。●

参考文献

[1]吴波.火灾后钢筋混凝土的高温性能及其计算.北京:清华大学出版社, 2003

[2]谢建军.水泥基型防水材料实验技术研究[J].试验技术与试验机.2006, 3

[3]谢建军.混凝土裂缝与温度实验研究[J].中国科技信息.2006, 6