钢结构建筑抗火设计研究

刘　丹

摘 要：随着经济的迅速发展，钢结构在建筑中的应用也越来越广泛。但是钢结构抗火性能差，由于问题的复杂，目前对钢结构的抗火设计仍没有形成统一的规范和标准，尤其我国起步较晚，钢结构抗火设计还存在着许多问题，本文针对抗火设计方法进行研究分析，提出合理的解决方法。

关键词：钢结构；抗火；设计

1 基于试验的抗火设计方法

现行《高层民用建筑钢结构技术规程》规定，梁和柱的防火保护厚度宜直接采用实际构件的耐火实验数据；当构件的截面形状和尺寸与试验标准构件不同时，应按有关规定推算出保护层厚度。因此结构的抗火设计即是对比构件的保护层厚度是否满足由试验确定或推算得来的厚度。这种基于试验的抗火设计方法存在以下缺陷：实验中的标准温度升曲线与火灾情况不同；构件在结构中的受力也很难通过实验模拟，实际构件受力各不同，实验难以概全；未能考虑温度应力及变形影响，未能考虑高温下结构内力重分布的影响；未能考虑各构件相互作用的影响，即结构某一构件达到极限状态并不意味着整体结构达到极限状态。

因此，这种方法过于简单，缺乏一定的科学性。此外由试验确定的耐火时间不能完全代表实际构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或偏于保守的后果。

2 基于构件计算的抗火设计方法

这种方法以高温下构件的承载力状态为耐火极限进行判断,考虑温度内力的影响。理论研究以有限元法为主,基本上能考虑任意荷载形式和端部约束状态的影响。目前该法已广泛用于欧洲的钢结构设计规范中。其设计方法如下：采用确定的防火措施，设定一定的防火空间被覆厚度；计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的的内部温度；采用高温下钢材料参数，计算结构中的构件在外荷载和温度作用下的内力；进行荷载效应组合；根据构件和受载类型，进行构件耐火承载极限状态验算；当设定的防火被覆厚度不合适时，可调整防火被覆厚度，重复上述步骤。

这种方法克服了基于试验设计方法的一些缺陷，但是还存在明显的不足之处：结构是作为整体承受荷载，钢结构抗火设计也是以"整体不倒塌"为最终目的，因此火灾下单个构件的破坏并不一定意味着整体结构的破坏；没有考虑火灾下结构的整体反应特性，有些构件即使不作防火保护，整体结构也可以满足耐火极限的要求。

3 基于结构性能的抗火设计方法

既然结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标，因此基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计将更为合理，由于问题的复杂性，从基于构件到基于结构不可能一步而就，目前还没有形成基于结构性能抗火设计规范，结构火灾下的整体反应分析还是热门课题。本文结合国外一些实验和研究成果从以下几个方面进行探讨。

3.1 火灾中结构的整体作用分析

一般认为，保证结构整体不塌，柱居于最重要的地位。基于构件设计单柱时，杆件中部某截面边缘首先屈服，继续变形形成塑性铰，其是将杆件中部截面边缘屈服时平均应力状态作为杆件的极限承载力状态，而且还是以截面的温度分布都是均匀理想状态为前提的，后来，英国努力考虑结构性能抗火设计时，默认柱在火灾中不会失稳，只对梁板进行抗火设计，因此对柱必须做防火保护。事实上，梁柱在火灾中的整体作用很强。柱的失稳除取决于自身的轴向力外，梁的热膨胀效应作用很大，一方面使柱在强弱轴方向均形成较大的弯矩，故柱顶或柱脚产生较大的局部应力，容易形成塑性铰，另一方面梁膨胀将加剧P~δ效应，加速柱的失稳。

梁柱节点转动刚度.实验表明，火灾下梁柱节点的转动刚度对柱的性能影响很小，常温下，梁通过刚性节点为柱提供一些抵抗弯矩的能力，但在高温下，梁的刚度、强度锐减，当柱欲失稳破坏时，并不能有效的发挥作用。故在整体抗火设计中，可以不考虑梁柱节点刚度的影响。

梁局部屈曲.火灾时，梁的热膨胀若受到一定的限制，可能会在梁端部发生局部屈曲，而局部屈曲又可以部分缓和柱的侧向位移。实验表明，梁的温度超过500Ｖ℃会发生局部屈曲。

梁截面、跨度及柱截面的影响.梁的跨度与结构整体性能有关，随着跨度增加，结构的极限温度会降低，因此必须增强柱的防火保护才能保证结构稳定性能不变。

梁截面的增加间接的加大了梁柱的温升比率，当比率达到一定值时，结构失稳。柱的长细比对其在火灾下的最不利位置影响不大，故柱的截面大小对结构的整体性能影响不大。

很显然，楼盖板，剪力墙，支撑等抗侧体系对结构的抗火性能都会产生很大的作用。由于这种整体实验代价太大，国外研究也还很少，力图在有限的实验中通过理论计算还是可能的。

3.2 塑性理论在抗火设计中的应用

钢结构延性好，常温下可以采用塑性设计方法，同样这种方法可用于结构的抗火设计。

火灾发生时，结构逐渐升温，钢材屈服温度随之有所降低，某些高应力部位首先进入塑性状态，产生塑性铰。由于结构多为超静定结构，此时内力进行重分布，结构仍有一定的承载力。随着塑性铰数目增多，结构最终形成机构，达到耐火极限状态。

基于这种塑性理论，国外研究了多种抗火设计方法，其中较为著名的有弹塑性法和上限法两种法。弹塑性法中须重点解决两大难题：温度和静载的相互作用，其中温度是不断变化；材料性质随着温度变化而变化的规律。上限法则不关心过程中结构的变形和侧移，只关注极限状态下的荷载值。这种方法同常温下的上限法一样，也是基于虚功方程求解，只是在虚功方程中引入荷载因子，该荷载因子也温度有关。这种方法可分析简单结构，如对门式刚架很有效。

基于塑性理论的任意一种抗火设计方法，都得考虑材料在高温下的非线性行为，结构由于P~δ效应和梁热膨胀引起的几何非线性，因此理论分析是一件很复杂的工作，要得到解析一般是不可能的，必须借助数值工具。

3.3 计算机模拟和有限元法

火灾发生过程中通过热辐射，热传导及热对流等方式形成复杂的温度场，使结构受热膨胀；同时较大的温度差会产生热冲击波，对结构形成内压。温度场的非定常性导致理论分析难以精确考虑，而足尺实验费用昂贵，因此计算机模拟研究成为热点，前景很好。

如上所述，结构在高温下的行为异常复杂。过去20年，国外学者试探了许多方法以分析火灾中结构的整体行为，而以有限元法最为普遍和有效。因为在有限元法中，各种影响因素，如材料非线性，几何非线性，不均匀分布，热应变，梁柱的弹性节点等等，都可以比较方便的考虑进去。

基于试验的设计方法已成为传统，目前许多国家正结合试验采用基于构件计算的抗火设计方法，但欧洲特别是英国对结构抗火性能研究较多并已逐步运用于抗火设计，毕竟这种方法还没有形成规范，结构整体抗火性能仍是热门研究课题，因此基于结构性能的抗火设计方法将是今后一段时间的发展方向。当然现代结构设计以概率可靠度为目标，火灾的发生具有随机性，火灾发生后空气升温的变异性很大，因此考虑火灾随机性的抗火设计方法也尚待研究。