钢结构耐火设计

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1、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

2、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z9.1.2钢材的截面温度分布严

3、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

4、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

5、；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

6、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

7、=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，结构在火灾中就能保持稳定性。目前，世界

8、各国对钢结构采用多种方法进行保护。这些方法从原理上来说可划分为两种