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(lèi)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?chē)臏囟容^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(chǎng)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(méi)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?;馂?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(kāi)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(guò)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(chǎng)有明顯的影響。當(dāng)火災(zāi)高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),構(gòu)件的升溫也較高。
(四)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件溫度場(chǎng)
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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guó)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(guó)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(guó)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(chēng)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(guò)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(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)和專(zhuān)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分析
確定建筑火災(zāi)溫度場(chǎng)需要火災(zāi)模型。我國(guó)《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。《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(國(guó)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(chǎng),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(guó)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(chǎng)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(guó)標(biāo)報(bào)批稿)提供的高溫下鋼材的有關(guān)熱工參數(shù)見(jiàn)表5-4-11。
表5-4-11 高溫下鋼材的物理參數(shù)
參數(shù)名稱(chēng) 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(guó)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(guó)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 -