高层钢结构建筑抗火设计探析

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1、高层钢结构建筑抗火设计探析摘要：本文介绍了钢结构建筑的特点，对火灾下钢结构的破环机理进行了分析，并对当前钢结构建筑抗火设计方法进行了介绍。最后，本文提出一些改善钢结构抗火性能的方法，为相关设计人员提供参考。关键词：钢结构建筑；抗火；承载力，设计方法屮图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1.刖S钢结构凭借其自重轻，强度高，塑性韧性好，建筑平面布置灵活，Ifll积利用率高等突出优点在工程实际中得到广泛应用。相关资料统计表明，我国建成的超高层建筑中钢结构建筑占到37%,然而钢结构建筑具有一个不

2、可忽视的缺陷，即耐火性差。钢材常温下为非燃烧材料，但耐火性较差,在高温下，钢结构的强度和刚度迅速降低。研究表明，当温度达到350°C、500°C.600°C时候，钢结构的强度分别降低1/3、1/2、2/3。温度达到600°C以上的时候，钢结构则完全丧失承载力。因此在火灾中若钢结构没有采取防火措施，钢结构建筑极容易发生破坏，钢结构建筑抗火能力直接影响钢结构的使用安全。因此，对钢结构建筑做好抗火设计十分重要。2.火灾下钢结构建筑破坏机理《建筑设计防火规范》根据建筑使用功能及火灾危害等级等指标将建筑的

3、耐火等级划分为一级、二级、三级、四级，一级要求最高，其余依次降低。钢结构建筑的耐火极限是指钢结构构件在标准耐火试验中从受到火作用开始到失去稳定或者完整性或绝热为止，抵抗火灾作用的时间用小时来表示。火产生的热量是以辐射和对流的形式传递给结构的，钢结构建筑由于导热系数较人，火灾产生的热量可以很快的传递到内部。再加上钢结构构件大都为薄壁结构，表面温度及内部温度相差不大，因此钢结构构件温度分布可以看做是均匀分布。钢结构由于导热性能好，当火灾作用的时候钢结构表面和内部的温度降急剧升高，构件将产生膨胀并伴随

4、着强度下降，同时，钢结构在高温下还会发生很大的蜩性变形，造成整个钢结构建筑局部破坏，最终造成整个结构整体破坏。3•钢结构抗火设计方法3.1实验的抗火设计方法传统确定建筑结构的耐火时间是通过时间来确定的。通常实验室确定钢结构的耐火时间是将构件从结构屮隔离出来，通过施加一定的荷载并按某一升温曲线加温来确定构件的耐火时间。这种确定方法存在很多问题，笫一，实际构件的受力不相同，实验难以全部概括；笫二，构件在结构的端部约束难以在实验中模拟；第三，对构件施加的温度曲线在试验中也难以真实反映。3.2计算的抗火

5、设计方法基于计算的钢结构抗火设计方法可以避免传统的实验设计方法，现阶段是各国普通釆用的设计方法。这种设计方法以高温下钢结构构件的承载力极限状态为耐火极限，并在这其中考虑温度应力的影响。《钢结构防火技术规程》是我国第一部钢结构防火技术规范，在这规范中就采用这种设计方法，计算的抗火设计方法思想和方法为：（1）确定防火措施，设计一定的防火覆盖厚度；（2）在确定防火措施下计算构件的耐火极限及内部温度；（3）确定高温下材料参数，计算构件在确定的防火措施下外荷载和高温作用下的内力；（4）进行荷载组合效应计算

6、，计算公式如下：式中各参数详细见《钢结构防火技术规程》说明。（5）根据钢结构类型及其受荷类型，进行构件的抗火承载力极限状态验算保证规范要求SWR.S为结构的荷载，R为结构在防火措施下，内部温度确定的结构抗力。（6）当设计的防火覆盖厚度不合算，适当调整厚度,再重复以上计算步骤。3.3抗火设计的发展趋势（1）现行的抗火设计方式是釆用计算的构件的设计方法，缺乏结构的抗火设计。该方法是以整体结构的承载力做为极限状态进行抗火设计，然而在火灾下，钢结构建筑单个构件的破坏，并不意味着结构整体的破坏,钢结构建筑

7、在火灾下少数构件发生破坏会引起结构的整体内力重新分布，结构仍然具有一定的承载能力。（2）结构的抗火概率可靠度设计方法必须考虑火灾和空气升温的随机性。（3）钢结构在温度及荷载共同作用下破坏的机理及承载力的计算方法还需研究。（4）火灾下，结构的荷载分布统计述比较匮乏。4.钢结构防火构造措施4.1钢材材料采用耐火的钢材。通过现有的技术，给钢材增加一定的特殊的成分，改变钢结构的组成成分，改善钢材的耐火性。目前我国多家钢铁企业已经成功的开发了钢结构建筑耐火耐候性钢，为钢结构建筑提供了良好的用材。4.2抗火

8、性强的结构形式由于钢筋混凝土剪力墙或者筒体结构具有良好的耐火性能，因此钢结构建筑屮宜采用这种抗侧力构件。由于钢管混凝土结构抗火性能好，提倡在钢结构建筑中使用；楼板是钢结构上下层和防火分区间的分隔构件，耐火性要求比较高；楼梯时钢结构建筑中的重要构件，宜采用钢筋混凝土结构。4.3维护和分隔构件钢结构建筑的围护及分隔构件如内外墙、屋面等可以采用一些轻型复合型建筑材料，如加气混凝土等。建议钢结构建筑的内外墙及屋面应为非燃烧体，耐火等级宜达到二级耐火等级。5.结语钢结构建筑是二十一世纪建筑发展的趋势，是未