钢结构抗火研究现状与发展趋势.pdf

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1、钢结构抗火研究现状与发展趋势李金哲1，刘晓鹏2(1．中国建筑两南设计研究院有限公司，四川成都610081；2．庄河城乡规划设计有限公司，辽宁大连116400)摘要：本文分析了钢结构抗火研究的现状，综述了钢结构抗火的试验研究状况和理论研究成果，总结了钢结构抗火的主要设计方法：基于试验的设计方法、基于计算的设计方法和基于结构整体作用分析的抗火设计方法。同时，指出了钢结构抗火研究尚存在的问题，对钢结构抗火研究趋势进行了展望。‘关键词：火灾；钢结构；抗火；设计方法中图分类号：TU391文献标识码：B文章编号：1672—4011(20

2、10)02—0001—020．前言钢结构具有强度高、自重轻、制作安装方便，商品化程度高，抗震性能好、环境污染少等特点，在建筑上程中发挥着重要的作用。随着钢结构的广泛应用，特别是高层建筑的人量建造，钢结构的抗火设计越来越引起蘑视。目前，钢结构往往用于大型的体育馆、展览馆、飞机库、剧场、博物馆和高层建筑结构。但是钢材的致命弱点是其物理和机械性能对温度很敏感，耐火性能较差。随着温度的升高，钢材的强度和刚度下降，当温度超过300oC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

3、性模量将下降到常温下的60％左右，当温度超过500oC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。在火灾中无保护层的钢结构升温很快，即使室温下相对安伞的结构在高温时也可能迅速破坏。不加保护的钢结构构件的耐火极限仅为10min一20rain，一旦发生火灾，结构极易遭到破坏，后果不堪设想。因此，这使得以钢结构为卡的金属结构的崛起与发展，以及其全新的结构形式和材料特性在建筑抗火中遇到了新的挑战。1材料特性的研究掌握高温条件下钢材的性能是确定火灾下钢结构的结构性能的必要条件。与钢结构抗火有关的材料特性主要包括

4、：强度(屈服强度、极限强度)、弹性模量、热膨胀系数、应力一应变关系及热传导系数和比热等热工参数。在高温下钢材的力学性能方面，国内外进行了较多的试验研究，得到丫钢材的屈服强度和极限强度与温度的关系，但如何确定高温下结构钢的屈服强度没有统一的标准，各试验结果相差较大，而极限抗拉强度的结果都较相近。有关钢材在高温下完整的应力一应变关系的试验数据报道不多，关于弹性模量的试验报道也不多，普遍应用的是ECCS建议中的结果。我国同济大学、清华大学等分别对常用的Q235、Q345钢及I、lI级钢筋的高温性能进行r试验研究⋯。热膨胀系数是结构

5、抗火性能中一个很重要的参数，目前国内外对结构钢和高强螺栓材料的热膨胀系数进行过测试，结果表明温度越高热膨胀系数越大。·钢材的高温特性试验都是在按恒温加载或恒载升温两种温度荷载路径进行，试验结果的表达也是主要给出单一温度下的材料特性参数和应力一应变关系，但因高温下结构钢呈现很强的塑性，应力一应变关系本来就与荷载路径有关，同时还要考虑热膨胀的影响，要给出一个统一的应力一应变一温度函数非常困难。为便于应用，从塑性力学的原理，根据材料是处于加载或卸载状态给出应力一应变的增量关系便于结构分析应用。2试验性能的研究对于钢结构的抗火试验，

6、最早是以单个构件为对象进行理论和试验研究的。研究对象丰要包括钢梁、钢柱、节点等。对高温卜．钢梁、钢柱分析主要基于常温下的受力、变形性能分析方法，采用高温F的结构材料特性进行分析。对于钢构件的抗火性能试验研究，国内外对钢梁、钢柱、组合梁进行了数量比较多的试验研究。国外主要有英国的BRE，法闰的CTICM等进行比较多的试验研究，我国主要是间济大学组织进行了钢梁、组合梁、钢柱等的抗火性能试验研究，还进行了约束钢梁的抗火性能试验。英国的Sheffield大学、Manchester大学对钢结构节点进行了试验研究，英困的BRE和澳大利亚

7、曾经进行过足尺模型的钢结构抗火性能试验研究。同济大学对钢结梅端板连接的抗火性能进行了试验研究。此外，英国的Sheffield大学和Man-chester大学、国内的同济大学都对钢结构端板连接、组合节点和高强螺栓连接进行了理论研究，Sheffield大学采用了结构力学的方法，同济大学和Manchester大学均采用有限元的方法进行模拟计算_J。3抗火设计方法钢结构抗火分析的过程非常复杂，需要考虑的因素和变龟很多，如火的燃烧曲线、高温时材料力学性能、材料的徐变、蠕变、几何非线性、材料非线性和杆件温度的不均匀分布等。由于对高温下钢

8、结构特性的了解不多，过去一般采用隔热材料使钢结构达到抗火要求。随着人们知识水平提高和计算机的发展，钢结构的抗火分析已经发生重大的改变，从单个钢构件的试验方法发展到考虑火灾及结构特性的计算分析方法。最常用的方法有：基于试验的设计方法、基于计算的设计方法和基于结构整体作用分析的抗火设计方法‘“