浅谈钢结构抗火设计

时间：2015-12-20 23:50:04 所属分类：金属学与金属工艺 浏览量:

摘 要：钢材在一般人看来，是不容易燃烧的，是不用防火的。但是在高温的条件下钢材虽然不会燃烧，但是钢材的刚度和强度会迅速降低。所以，对钢结构进行防火设计是必要的。钢材结构的防火设计必须满足耐火时间大于耐火极限，如何采取有效措施去提高钢结构的耐

摘　要：钢材在一般人看来，是不容易燃烧的，是不用防火的。但是在高温的条件下钢材虽然不会燃烧，但是钢材的刚度和强度会迅速降低。所以，对钢结构进行防火设计是必要的。钢材结构的防火设计必须满足耐火时间大于耐火极限，如何采取有效措施去提高钢结构的耐火时间就是本文研究的关键。

关键词：钢结构；防火；设计
由于钢结构具有强度高.施工周期短.重量轻等优点，而且钢材还可以再次利用，非常环保，目前在建筑结构中被越来越广泛的使用得到广泛采用, 一直是大跨度.重型.超高层以及动力荷载结构的首选。但是钢材的导热系数特别高，很容易导热，耐火性是它的弱点。而且在高温下，钢材的一些力学性能会发生变化，所以和混凝土比起来钢材建筑的防火设计是关系到人们的人身财产安全，更加要予以重视。
1.钢结构耐火极限
　　关于钢材的耐火，我们都经常会用耐火极限去划分钢材的耐火等级。所谓的钢结构的耐火极限就是指在标准耐火试验中，标准件从受到火的侵蚀开始到失去稳定性或完整性的这段抵抗火作用的时间。钢结构在高温的作用下，会膨胀但是外部会给其约束，就会产生内力，导致钢材的屈服强度大大下降，当火的温度达到400℃时，钢材的屈服强度就会减少一半，升到600℃时，钢材就基本丧失所有的刚度。构件的耐火极限和它本身的属性紧密相关。包括它采用的材料性质.保护层的厚度.构造尺寸.以及钢结构的支撑情况和受火方式等方面都有密切的关系。在较短的时间内火灾就能使钢材达到极限状态以致破坏，在火灾后如何对受火灾的房子进行修补根据的主要是耐火极限。
2.传统意义的钢结构抗火设计
以前建筑结构构件的耐火时间全部都是由试验来确定。该方法基于试验的构件抗火设计总的来说是一种简单.直观的方法，在那个年段起到了一定的作用。工程师在进行钢材的防火设计的时候基本没有结构抗火计算与设计的观念，在进行设计时，都是简单的看一下涉及的结构构件是否满足规定的耐火极限即可。我们进行的实验中是把构件单独拿出来进行施加一定的荷载，然后绘制一定的升温曲线来确定构件的耐火时间，这样做是存在很多问题的。因为在实际当中构件并不是单独的，会受到很多外界的约束，所以试验中受到的力和实际中是不一样的，而且受到的约束也会不一样，受力和约束有一项不同测得的构件的耐火时间也是不准确的。其次，构件受火构件试验中会产生的温度应力也和实际不一样的。结构抗火设计目标的最终目的就是结构的抗火时间不小于或者大于规范规定的耐火时间。可以看出，该试验方法存在很多缺陷。
正是由于传统意义的钢结构抗火设计存在诸多缺点，所以基于计算的现代方法被各个国家纷纷提出来。英国.瑞典等国家通过分析已发生的钢结构建筑火灾案例同时考虑到传统抗火设计的缺点总结出了，有防火保护 的钢结构在火灾发生时的预期的耐火时间并不准确，有的时候没到就破坏，有的时候超了没破坏，所以没有了可以参考的意义。这种现象正是由于构件实验不能真实地反映构件在真实结构中的耐火时间。所以通过计算对钢结构 进行抗火设计是有必要的。
3.现代的钢结构抗火设计标准
　　现代的基于计算的防火设计方法有很多优点，它贴切实际情况，从实际情况进行耐火设计，能够得到更加准确的钢结构耐火极限。《上海市钢结构防火技术规程》是我国第一部钢结构抗火设计标准，该标准解决了基于计算的钢结构抗火设计方法，具体的计算过程如下：
　　第一步，将防火被覆厚度确定下来。
　　第二步，确定构件在耐火极限的条件下的内部温度。
　　第三步，利用又有的高温条件下钢的材料参数，求出构件结构由于外荷载和温度作用下所产生的内力。
　　第四步，进行荷载的组合：
　　　
　　第五步，进行构件耐火承载力的极限状态验算的时候要根据构件和受载类型去进行验证。验算按照下面的公式进行：S≤R。R都是在该温度情况下构件的极限承载力。
　　第六步，假如防火被覆厚度发现正确的时候要重新对防火被覆厚度进行调整，然后重复上述的步骤。
　　现代的钢结构抗火设计方法是系统地提取保护材料的热物理参数测定法，而不是像以前简单进行构件的耐火试验。这样不但降低了经济成本而且还提高了准确性。但是该计算方法计算很复杂，而且目前计算方法存在很大的差异，每一种都是不同的，都没有去充分考虑基于整体结构的计算。
4.现阶段钢结构抗火设计注意点
　　现阶段我国的抗火设计虽然有了可喜的发展，你是抗火设计工作中还是存在一些问题需要去解决。
　　首先，在进行火灾荷载分布统计研究的时候把钢结构是一个整体的形式，钢结构作为一个整体是一起去承受载荷的。即使火灾中结构的几个部分出现了问题，但是整体结构的承载能力不会全部消失，结构仍具有一定继续承载的能力。局部少数结构构件发生破坏，只是结构内力重分布。从基于整体结构的承载能力极限状态的思想去设计，会很好地防止整体结构出现倒塌。
　　其次，钢结构的抗火设计的核心应该是主要对构件的破坏机理以及它的承载力计算模型进行研究，该研究必须是在温度.重力荷载2者一起的作用下进行的，只有这样才能确定出正确合适的结构设计计算模式。
　　最后，我国虽开发了很多的钢结构防火材料，但是采用实验的方式进行的，不成体系而且不够精确。所以，对钢结构板材.热性能以及防火涂料种类展开研究，对材料的热参数展开研究，确定在临界温度下保护层厚度确定方法是很有必要的，必须多重视。还有，在设计结构的抗火设计的抗火概率的时候，火灾与空气温度升高的随机性必须考虑进去。
5.结论
　　基于计算结构的构件设计方法是目前多采用抗火设计方法。目前，城市发展越来越快，土地资源越来越珍贵，采用钢结构的高层钢结构建筑也就越来越多，但是高层建筑一旦发生火灾事故，疏散就很困难，带来的后果是不可以想象的。所以加大对建筑材料的防火保护，必须从建筑设计时就充分考虑充分进行钢结构的防火性能分析。同时，还要制订必要的应急方案，一旦发生火灾能够做出迅速反应，减少损失。

参考文献
[1] 李国强，蒋首超.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999
[2] 刘开国．火作用下钢框架结构的分析[J]．钢结构，2002，17(4)：46—47．

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