第08章 钢结构耐火设计.doc

第9章钢结构耐火设计 随着我国钢产量的增加，钢结构在建筑工程中的应用也日益广泛。钢结构由于其强度高、塑性、韧性好以及构件自重轻等诸多优点，在高层、大跨度、重荷载等条件下应为首先考虑的结构型式。目前，我国超高层建筑中以高度排序的前10名建筑，其中6栋为全钢结构或钢一钢筋混凝土组合结构。由于钢结构耐火性能极差，使用中必须进行耐火保护。本章论述钢结构耐火设计的有关问题。 9.1裸露钢结构的耐火性能 9.1.1钢材的高温力学性能 钢材虽然不燃，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度，弹性模量等随温度升高 而降低，约在550℃时，降低幅度更为明显。 9.1.1.1应力一应变曲线 根据试验资料，结构用钢当温度低于300℃时，强度略有增加而塑性降低；当温度高于300℃时，强度降低而塑性增加，同时屈服平台消失。在设计计算中，一般假定钢材应力一应变曲线与常温下的简化曲线相似，如图9-1所示。 9.1.1.2有效屈服强度σYT 在进行高温承载力计算时，取钢材的有效屈服强度ση作为材料强度指标。所谓有效屈服强度是指钢材在某一温度水平Ts时的实际屈服强度或条件屈服强度。显然，它是温度的函数。目前，国内公开发表的系统试验数据不多，国外各研究机构的结果也不尽相同，但相差不大。这1σwNm里推荐前苏联和日本采用的计算公式z 9.1.2钢材的截面温度分布 严格说来，钢材表面受到火烧时，其表面温度高，内部温度低。但钢材的导热系数λ约为58W/(m·℃)，是混凝土的40倍。由傅里叶定律知，热流强度q与温度梯度成正比，即q=-λdT/dx。表明，当构件表面受热时(假设q为常数)，由于λ较大，热量很快可传到其内部，因而温度梯度dT/dx很小。加之构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。所以，钢结构耐火计算，不考虑温度梯度影响，认为构件内部温度均匀分布。 9.1.3构件的截面系数 钢构件受火时达到某一指定温度所需要的时间与构件截面形状有关。当构件直接受火表面面积越大，热量交换越多，所需时间越短；构件截面面积越大，达到指定温度吸收的热量越多，则所经历的时间越长。所以，我们可以用构件的截面系数即构件单位长度内受火面积F与其体积V之比来表示构件的吸热能力。截面系数F/V越大，构件越不耐火。 9.2钢结构临界温度计算 所谓临界温度是指当构件在火灾有效荷载作用下，遭受火烧达到极限状态时的温度。临界温度与构件承受的有效荷载的大小、形式、作用位置和构件的截面形式、受力状态、约束条件等有关。所以，临界温度的计算涉及到复杂的钢结构设计知识。本节仅给出简单的估算公式。 所谓有效荷载是指构件在火灾时实际承受的重力荷载。显然应由统计确定。由于目前缺乏资料，建议按下式取值： 式中，PF为构件有效荷载；G为构件承受的永久荷载标准值；Qi为构件承受的可变荷载标准值；但为可变荷载准永久值系数。按《建筑结构荷载规范》取值，但对风载取1.0。 应当说明，当屋面用作暂时避难，或专门设计的避难层、避难间，但取1.0。由于火灾是偶然的短期作用，其安全度可适当降低，所以永久荷载取标准值的1.1倍。可变荷载取其准永久值主要考虑火灾时人群将主动疏散，可变荷载满载和火灾同时发生的概率较小等有利因素。此外，其他偶然作用如地震等不作考虑。 设钢构件在常温设计时的荷载为P，则荷载系数定义为： 根据前述临界温度的定义，构件承受有效荷载PF而遭受火烧，当材料强度σYT下降到PF作用下的σ0时，构件截面破坏。此时构件的温度即临界温度Tc。所以，在式(9-1)中，令ση=町，Ts=Tc，可解得临界温度： 引入材料系数rs，把除以即用钢材设计强度f代替屈服强度，则上式化为： Tc=750-4507(9-4) 由于，引入构件内力重分布影响系数，则临界温度计算式为： Tc=750-4508182 〈9-5〉 式中，02为考虑构件内力重分布时对临界温度的影响系数，取值按下述规则z 当为一端固定，一端饺支梁时，。2=号； 当为两端固定梁或连续梁内跨时，02=÷； 其余所有构件282=1.0。 由于钢材温度大于550℃后强度很小，所以当求出的临界温度Tc大于550℃时取Tc= 550℃。 [例9-1]Q235钢简支梁，截面为I32a，有效荷载与设计荷载之比1=0.665，求临界温 度。 [解]由于是简支梁，取=1.0，由式(2)得： Tc=750-450×0.665×1=451(℃) [例9-2]同上条件，改为两端固定梁，求临界温度。 [解]取=0.5，由式(2)得： Tc=750-450×0.665×0.5=600(℃) 取Tc=550℃。 9.3钢结构耐火保护方法 由于钢结构耐火性能差，在火灾高温作用下将很快失效倒塌，耐火极限仅15min。若采取措施，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，结构