本節(jié)介紹了主要的建筑結(jié)構(gòu)形式以及各種建筑結(jié)構(gòu)耐火性能的特點(diǎn)、影響建筑結(jié)構(gòu)耐火性能的主要因素、火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件極限狀態(tài)的定義、建筑結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間計(jì)算模型的選取方法及計(jì)算步驟、鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間計(jì)算方法、整體結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間計(jì)算的方法和步驟等。

一、影響建筑結(jié)構(gòu)耐火性能的因素

（一）結(jié)構(gòu)類型

1.鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼材制作結(jié)構(gòu)，包括鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、大跨交叉梁系結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有施工機(jī)械化程度高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，但鋼結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是耐火性能較差，需要采取涂覆鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等防火措施才能耐受一定規(guī)模的火災(zāi)。在高大空間等鋼結(jié)構(gòu)建筑中，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)耐火性能分析的基礎(chǔ)上，如果火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)周圍的溫度較低，并能保持結(jié)構(gòu)安全時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可不必采取防火措施。

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是在混凝土配置鋼筋形成的結(jié)構(gòu)，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔(dān)荷載。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)耐火重要性較高，火災(zāi)荷載較大、人員密度較大或建筑結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜的場合時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火能力也可能不滿足要求。這時(shí)，需要進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的耐火性能評(píng)估，確定結(jié)構(gòu)的耐火性能是否滿足要求。

3.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)

（1）型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)是將型鋼埋入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成一種組合結(jié)構(gòu)，截面形式如圖5-4-15所示。適合大跨、重載結(jié)構(gòu)。由于型鋼被混凝土包裹，火災(zāi)下鋼材的溫度較低，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能較好。

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圖5-4-15 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)

（2）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼和混凝土兩種材料組成的，它充分發(fā)揮了鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有承載能力高、延性好等優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，由于混凝土的存在可降低鋼管的溫度，鋼管的溫度比沒有混凝土?xí)r要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管需要進(jìn)行防火保護(hù)。鋼管混凝土柱截面如圖5-4-16所示。

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圖5-4-16 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

（二）荷載比

荷載比為結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載與其極限荷載的比值。火災(zāi)下，結(jié)構(gòu)承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強(qiáng)度降低，構(gòu)件的承載能力降低。當(dāng)構(gòu)件的荷載達(dá)到極限荷載，構(gòu)件就達(dá)到了火災(zāi)下的承載能力，構(gòu)件就達(dá)到了耐火極限狀態(tài)，開始倒塌破壞，這時(shí)的耐火時(shí)間為耐火極限。荷載比越大，構(gòu)件的耐火極限越小，荷載比是影響結(jié)構(gòu)及構(gòu)件耐火性能的主要因素之一。

（三）火災(zāi)規(guī)模

火災(zāi)規(guī)模包括火災(zāi)溫度和火災(zāi)持續(xù)時(shí)間?；馂?zāi)高溫是構(gòu)件升溫的源泉，它通過對(duì)流和輻射兩種傳熱方式將熱量從建筑內(nèi)空氣向構(gòu)件傳遞。作為構(gòu)件升溫的驅(qū)動(dòng)者，火災(zāi)規(guī)模對(duì)構(gòu)件溫度場有明顯的影響。當(dāng)火災(zāi)高溫持續(xù)時(shí)間較長時(shí)，構(gòu)件的升溫也較高。

（四）結(jié)構(gòu)及構(gòu)件溫度場

溫度越高，材料性能劣化越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的溫度場是影響其耐火性能的主要因素之一。材料的熱工性能直接影響構(gòu)件的升溫快慢，從而決定了火災(zāi)下結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的溫度場分布。

二、結(jié)構(gòu)耐火性能分析的目的及判定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)耐火性能分析的目的就是驗(yàn)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火性能是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗(yàn)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐火極限是否滿足規(guī)范的要求；第二種即在規(guī)范規(guī)定的耐火極限時(shí)的火災(zāi)溫度場作用下，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力是否大于荷載效應(yīng)組合。這兩種方法是等效的。

（一）耐火極限要求

構(gòu)件的耐火極限要求應(yīng)符合《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045及其他相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求一致。

（二）構(gòu)件抗火極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（國標(biāo)報(bào)批稿）提出了基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗火驗(yàn)算方法?；馂?zāi)發(fā)生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)可放寬。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（國標(biāo)報(bào)批稿），火災(zāi)下只進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)的驗(yàn)算，不需要正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)包括以下幾種情況：

①軸心受力構(gòu)件截面屈服；

②受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機(jī)構(gòu)；

③構(gòu)件整體喪失穩(wěn)定；

④構(gòu)件達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形。對(duì)于一般的建筑結(jié)構(gòu)，可只驗(yàn)算構(gòu)件的承載能力，對(duì)于重要的建筑結(jié)構(gòu)還要進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的承載能力驗(yàn)算。

三、計(jì)算分析模型

抗火驗(yàn)算時(shí)建筑結(jié)構(gòu)耐火性能計(jì)算（一般也可稱為抗火驗(yàn)算）一般有三種方法：第一種采取整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型；第二種采取子結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型；第三種采取單一構(gòu)件計(jì)算模型?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS200:2006)和廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-81-2011)規(guī)定，對(duì)于高度大于100m的高層建筑結(jié)構(gòu)宜采用整體計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火計(jì)算，單層和多層建筑結(jié)構(gòu)可只進(jìn)行構(gòu)件的抗火驗(yàn)算。

實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件總是和其他構(gòu)件相互作用，獨(dú)立構(gòu)件是不存在的。因此，研究構(gòu)件的耐火性能需要考慮構(gòu)件的邊界條件。歐洲規(guī)范規(guī)定，進(jìn)行構(gòu)件耐火性能分析時(shí)，構(gòu)件的邊界條件可取受火前的邊界條件，并在受火過程中保持不變。

整體結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估模型是一種高度非線性分析，計(jì)算難度較高，需要專門機(jī)構(gòu)和專業(yè)人員完成。

四、建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析的內(nèi)容和步驟

建筑結(jié)構(gòu)耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結(jié)構(gòu)的安全性分析。建筑火災(zāi)模型和建筑材料的熱工參數(shù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)溫度場分析的基礎(chǔ)資料。同樣，高溫下建筑材料的力學(xué)性能是建筑結(jié)構(gòu)高溫下安全性分析的基礎(chǔ)資料。同時(shí)，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)高溫下安全性分析還需要確定火災(zāi)時(shí)的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進(jìn)行高溫下結(jié)構(gòu)的抗火驗(yàn)算了。

（一）結(jié)構(gòu)溫度場分析

確定建筑火災(zāi)溫度場需要火災(zāi)模型。我國《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045均提出可采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作為一般建筑室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型?！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（國標(biāo)報(bào)批稿）提出可采用參數(shù)化模型作為一般室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型，同時(shí)也提出了大空間室內(nèi)火災(zāi)的火災(zāi)模型。由于建筑室內(nèi)可燃物數(shù)量和分布、建筑空間大小及通風(fēng)形式等因素對(duì)建筑火災(zāi)有較大影響，為了更加準(zhǔn)確的確定火災(zāi)溫度場，也可采用火災(zāi)模擬軟件對(duì)建筑火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬。

確定火災(zāi)模型之后，即可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行傳熱分析，確定火災(zāi)作用下建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的溫度。進(jìn)行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國內(nèi)外對(duì)鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫?zé)峁ば阅?、力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。在進(jìn)行構(gòu)件溫度場分布的分析時(shí)涉及到的材料熱工性能有3項(xiàng)，即導(dǎo)熱系數(shù)、質(zhì)量熱容和質(zhì)量密度，其他的參數(shù)可以由這3項(xiàng)推導(dǎo)出。

1.鋼材

《鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（國標(biāo)報(bào)批稿）提供的高溫下鋼材的有關(guān)熱工參數(shù)見表5-4-11。

表5-4-11 高溫下鋼材的物理參數(shù)

參數(shù)名稱 符 號(hào) 數(shù) 值 單 位

熱傳導(dǎo)系數(shù) 45 W/(m?℃)

比熱容 600 J/(kg?℃)

密 度 7850 kg/m3

2.混凝土

《鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（國標(biāo)報(bào)批稿）提供的高溫下普通混凝土的有關(guān)熱工參數(shù)可按下述規(guī)定取值。

熱傳導(dǎo)系數(shù)可按式(5-4-49)取值；

20℃ 1200℃ (式5-4-49)

比熱容應(yīng)按式(5-4-50)取值；

20℃ 1200℃ (式5-4-50)

密度應(yīng)按式(5-4-51)取值。

(式5-4-51)

式中： ——混凝土的溫度（℃）；

——混凝土的比熱容 [J/(kg?℃)]；

——混凝土的密度（kg/m3）。

（二）材料的高溫性能

1.混凝土

高溫下普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量應(yīng)按下式確定：

(式5-4-52)

(式5-4-53)

式中： ——溫度為 時(shí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/m㎡）；

——常溫下混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/m㎡），應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010取值；

——高溫下混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度折減系數(shù)，應(yīng)按表5-4-12取值；其他溫度下的值，可采用線性插值方法確定；

——高溫下混凝土的彈性模量（N/m㎡）；

——高溫下混凝土應(yīng)力為 時(shí)的應(yīng)變，按表5-4-12取值；其他溫度下的值，可采用線性插值方法確定。

表5-4-12 高溫下普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度折減系數(shù) 及應(yīng)力為 時(shí)的應(yīng)變

（℃） 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

1.00 1.00 0.95 0.85 0.75 0.60 0.45 0.30 0.15 0.08 0.04 0.01 0

（×10-3） 2.5 4.0 5.5 7.0 10.0 15.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 -