建筑結(jié)構耐火性能分析
一、影響建筑結(jié)構耐火性能的因素
(一)結(jié)構類型
1.鋼結(jié)構
鋼結(jié)構是由鋼材制作結(jié)構，包括鋼框架結(jié)構、鋼網(wǎng)架結(jié)構和鋼網(wǎng)殼結(jié)構、大跨交叉梁系結(jié)構。鋼結(jié)構具有施工機械化程度高、抗震性能好等優(yōu)點，但鋼結(jié)構的最大缺點是耐火性能較差，需要采取涂覆鋼結(jié)構防火涂料等防火措施才能耐受一定規(guī)模的火災。在高大空間等鋼結(jié)構建筑中，在進行鋼結(jié)構耐火性能分析的基礎上，如果火災下鋼結(jié)構周圍的溫度較低，并能保持結(jié)構安全時，鋼結(jié)構可不必采取防火措施。
2.鋼筋混凝土結(jié)構
鋼筋混凝土結(jié)構是在混凝土配置鋼筋形成的結(jié)構，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔荷載。當建筑結(jié)構耐火重要性較高，火災荷載較大、人員密度較大或建筑結(jié)構受力復雜的場合時，鋼筋混凝土結(jié)構的耐火能力也可能不滿足要求。這時，需要進行鋼筋混凝土結(jié)構及構件的耐火性能評估，確定結(jié)構的耐火性能是否滿足要求。
3.鋼-混凝土組合結(jié)構
(1)型鋼混凝土結(jié)構。型鋼混凝土結(jié)構是將型鋼埋入鋼筋混凝土結(jié)構形成一種組合結(jié)構。適合大跨、重載結(jié)構。由于型鋼被混凝土包裹，火災下鋼材的溫度較低，型鋼混凝土結(jié)構的耐火性能較好。
(2)鋼管混凝土結(jié)構。鋼管混凝土結(jié)構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，具有承載能力高、延性好等優(yōu)點。鋼管混凝土結(jié)構中，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時要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結(jié)構中的鋼管需要進行防火保護。
(二)荷載比
荷載比為結(jié)構所承擔的荷載與其極限荷載的比值。火災下，結(jié)構承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強度降低，構件的承載能力降低。當構件的荷載達到極限荷載，構件就達到了火災下的承載能力，構件就達到了耐火極限狀態(tài)，開始倒塌破壞，這時的耐火時間為耐火極限。荷載比越大，構件的耐火極限越小，荷載比是影響結(jié)構及構件耐火性能的主要因素之一。
(三)火災規(guī)模
火災規(guī)模包括火災溫度和火災持續(xù)時間。火災高溫是構件升溫的源泉，它通過對流和輻射兩種傳熱方式將熱量從建筑內(nèi)空氣向構件傳遞。作為構件升溫的驅(qū)動者，火災規(guī)模對構件溫度場有明顯的影響。當火災高溫持續(xù)時間較長時，構件的升溫也較高。
(四)結(jié)構及構件溫度場
溫度越高，材料性能劣化越嚴重，結(jié)構及構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件的升溫快慢，從而決定了火災下結(jié)構及構件的溫度場分布。
二、結(jié)構耐火性能分析的目的及判定標準
結(jié)構耐火性能分析的目的就是驗算結(jié)構和構件的耐火性能是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。結(jié)構的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗算結(jié)構和構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)定的耐火極限時的火災溫度場作用下，結(jié)構和構件的承載能力是否大于荷載效應組合。這兩種方法是等效的。
(一)耐火極限要求
構件的耐火極限要求應符合《建筑設計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045及其他相關國家標準的要求一致。
(二)構件抗火極限狀態(tài)設計要求
《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提出了基于計算的結(jié)構及構件抗火驗算方法。火災發(fā)生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災下結(jié)構的驗算標準可放寬。根據(jù)《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)，火災下只進行整體結(jié)構或構件的承載能力極限狀態(tài)的驗算，不需要正常使用極限狀態(tài)的驗算。構件的承載能力極限狀態(tài)包括以下幾種情況：
①軸心受力構件截面屈服;
②受彎構件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機構;
③構件整體喪失穩(wěn)定;
④構件達到不適于繼續(xù)承載的變形。對于一般的建筑結(jié)構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結(jié)構還要進行整體結(jié)構的承載能力驗算。
三、計算分析模型
抗火驗算時建筑結(jié)構耐火性能計算(一般也可稱為抗火驗算)一般有三種方法：第一種采取整體結(jié)構的計算模型;第二種采取子結(jié)構的計算模型;第三種采取單一構件計算模型。《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)范》(CECS200:2006)和廣東省地方標準《建筑混凝土結(jié)構耐火設計技術規(guī)程》(DBJ/T 15-81-2011)規(guī)定，對于高度大于100m的高層建筑結(jié)構宜采用整體計算模型進行結(jié)構的抗火計算，單層和多層建筑結(jié)構可只進行構件的抗火驗算。
實際建筑結(jié)構中，構件總是和其他構件相互作用，獨立構件是不存在的。因此，研究構件的耐火性能需要考慮構件的邊界條件。歐洲規(guī)范規(guī)定，進行構件耐火性能分析時，構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)構耐火性能評估模型是一種高度非線性分析，計算難度較高，需要專門機構和專業(yè)人員完成。
四、建筑結(jié)構耐火性能分析的內(nèi)容和步驟
建筑結(jié)構耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結(jié)構的安全性分析。建筑火災模型和建筑材料的熱工參數(shù)是進行結(jié)構溫度場分析的基礎資料。同樣，高溫下建筑材料的力學性能是建筑結(jié)構高溫下安全性分析的基礎資料。同時，進行建筑結(jié)構高溫下安全性分析還需要確定火災時的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進行高溫下結(jié)構的抗火驗算了。
結(jié)構溫度場分析
確定建筑火災溫度場需要火災模型。我國《建筑設計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045均提出可采用ISO834標準升溫曲線作為一般建筑室內(nèi)火災的火災模型。《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提出可采用參數(shù)化模型作為一般室內(nèi)火災的火災模型，同時也提出了大空間室內(nèi)火災的火災模型。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形式等因素對建筑火災有較大影響，為了更加準確的確定火災溫度場，也可采用火災模擬軟件對建筑火災進行數(shù)值模擬。
確定火災模型之后，即可對建筑結(jié)構及構件進行傳熱分析，確定火災作用下建筑結(jié)構及構件的溫度。進行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國內(nèi)外對鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能進行了大量的研究。在進行構件溫度場分布的分析時涉及到的材料熱工性能有3項，即導熱系數(shù)、質(zhì)量熱容和質(zhì)量密度，其他的參數(shù)可以由這3項推導出。
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