工程设计论 钢结构抗火.docVIP

钢结构的抗火设计 钢结构介绍 钢结构工程采用以钢材制作为主，由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成；各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接的结构，是主要的建筑结构类型之一。 钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。钢结构应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H型钢（又称宽翼缘型钢）和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。 钢结构在使用过程中会受到各种形式的作用(荷载、基础不均匀沉降、温度等)，所以要求钢材应具有良好的机械性能(强度、塑性、韧性)和加工性能(冷热加工和焊接性能)，以保证结构安全可靠。钢材的种类很多，符合钢结构要求的只是少数几种，如碳素钢中的Q235，低合金钢中的l6Mn，用于高强螺栓的20锰钒钢(20MnV)等。 钢结构优缺点 钢结构与普通钢筋混凝土结构相比，其匀质、高强、施工速度快、抗震性好和回收率高等优越性，钢比砖石和砼的强度和弹性模量要高出很多倍，因此在荷载相同的条件下，钢构件的质量轻。从被破坏方面看，钢结构是在事先有较大变形预兆，属于延性破坏结构，能够预先发现危险，从而避免。 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。钢材在高温下的工作性能在 0～200℃时，随温度升高，钢材的弹性模量没有明显变化，极限强度、弹性模量略有下降，但仍然有明显的屈服段和强化现象。当温度到 300℃时材料的强度要降低很多，同时不存在明显的屈服现象，因此屈服强度无明确定义，温度更高时也是如此。随着温度继续升高，材料强度下降很快，弹性模量也下降很快，但延伸率有较大的提高，据相关文献介绍试验中 Q345 钢材当温度达到 700℃，极限强度、弹性模量下降为常温的 20％左右，延伸率是常温的 2 倍。典型的钢材各温度下应力－应变如图 1 示。 图1 高温下钢材的力学性能指标 钢结构设计方法 随着人们对结构抗火认识的逐渐深化和结构抗火计算与设计理论相关研究的不断深入，钢结构抗火设计的方法在近二十年的时间中也在不断地向前发展。概括起来，可分为以下四个主要阶段： 一、传统的钢结构抗火设计方法 传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可，因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄实际上，将构件从结构中孤立出来 施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题： 1、构件在结构中的受力， 很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大 ； 2、构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素; 3、构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映; 4、当前研究中普遍应用的曲线即为国际标准化组织规定的标准火灾曲线(ISO834),ISO834 曲线是室内温升中一种用以衡量与对比各种建筑结构耐火性能的公用标准,较适合于工程设计和科学研究,但这种温升曲线并未考虑具体失火房间影响火灾性状的各个因素,如火灾荷载、通风系数等。由于上述这些参数对火灾轰燃后的时间-温度曲线影响很大,因而对结构构件在火灾中承载力的影响不可忽略; 图2 真实火灾曲线和标准火灾曲线对比 5、耐火时间耐火等级不易确定目前建筑物趋于功能复杂，体量大型化 同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大正是注意到试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法。 二、基于计算的现代钢结构抗火设计方法 基于计算钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验钢结构抗火设计方法所存在的问题 目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳这种钢结构抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响在我国第一部钢结构抗火设计标准上海市工程建筑规范 建筑钢结构防火技术规程中采纳了这种法，其计算过程如下: 1、采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度； 2、计算构件在确定防火措施和耐火极限条件下的内部温度火灾下为满足结构耐火极限要求，一般需对钢构件进行防火保护目前主要防火措施为包覆防火涂料或防火板由于钢材导热性好，采取防火保护的钢构件内部温度可假定为均匀分布，再由火灾环境传入钢构的热量应等于钢构件升温所吸收的热量，可建立火灾条件下钢构件升温微分方程 求解该方程并加以近