浅谈高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施

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1、浅谈高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施浅谈高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施　　近年来，随着城市化进程的不断推进，城市可利用的空间也越来越小，从而推动了城市高层以及超高层建筑的高速发展，而钢结构在高层建筑以及超高层建筑中也得以大量采用，在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。　　钢材虽然是非燃烧材料，耐热但不耐高温，不耐火，这也是其致命的弱点。随着温度的升高，钢材的强度和刚度下降，当温度超过300℃时，钢材的屈服强度和弹性模量开始明显降低；当温度达到400℃时，其屈服强度将下降到常温下的一半左右，弹

2、性模量将下降到常温下的60%左右；当温度超过500℃时，钢材会发生明显的塑性变形，超过500℃时钢材的承载力将急剧降低；当温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏[1]。　　对高层建筑钢结构进行抗火设计具有如下意义：1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失[2]。　　结构抗火

3、设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法[3]：　　基于试验的构件抗火设计方法　　基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。但是该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时

4、间的影响很大。最后，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。因此，是难以分析这些因素对构件耐火时间的影响。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。　　基于计算的构件抗火设计方法　　从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所采用。文献[4]总结

5、了在火灾下构件抗火设计的计算方法：梁的最终极限状态分析法；利用柱的曲屈曲线法；梁－柱构件的变形法和数值方法等。屈立军[5]采用简单的温度模型和理想塑性应力－应变曲线作为高温下钢材的本构关系，得出纯弯、拉弯和压弯构件的临界温度计算公式。计算中只考虑了强度的降低，没考虑温度应力的影响。　　基于计算的结构抗火设计方法　　基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标，认为火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是超静定钢结构体系，当结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，整体结

6、构仍有一定的承载能力。基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的，但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法。　　考虑火灾随机性的结构抗火设计方法　　基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标，考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究，但成果还不多。人们认为这是结构抗火设计的发展方向。　　以上四种方法中基于试验的抗火设计方法基本上被淘汰，现在的试验一般用来检验理论研究的结果。基于计算的构件抗火设计方法研究已有一定的理论成果和工程应用实践。基于计算的结构抗火设

7、计方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前钢结构抗火设计的整体发展趋势。　　对于高层建筑钢结构，除了进行基本的抗火设计，还必须考虑可行的防火保护措施，将两者紧密的结合起来。钢结构防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。常用防火措施现行基本有以下几种:　　喷涂法　　该方法采用专门设备将一定厚度防火涂料直接喷在钢结构构件表面上，具有造价较低、施工快速、复杂的细部亦容易覆盖等优点，视防火层厚度的大小抗火时间也有所不同，

8、最高可达4个小时。但由于喷涂表面不平整，影响美观。故适用于比较隐蔽的钢构件。防火涂料一般由硅石添加粘结剂或矿物纤维制成。　　防火板隔离法　　将表面平整的防火材料板采用机械方法螺栓连接或捆扎环绕固定在钢构件的四周，一般做成箱状，将构件和周围火环境隔离，以达到降低构件的受热速度，确保构件在一定的防火时效内不致达到其极限温度。由于防火板可在工厂批量生产，所以具有厚度一致、品质保证、干净无污染等优点。其外表平整、美观，故较为适用于外露构件如钢柱的防