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建筑结构耐火性能分析
本节介绍了主要的建筑结构形式以及各种建筑结构耐火性能的特点、影响建筑结构耐火性能的主要因素、火灾下建筑结构及构件极限状态的定义、建筑结构耐火时间计算模型的选取方法及计算步骤、钢结构和混凝土结构的耐火时间计算方法、整体结构耐火时间计算的方法和步骤等。
一、影响建筑结构耐火性能的因素
(一)结构类型
1.钢结构
钢结构是由钢材制作结构，包括钢框架结构、钢网架结构和钢网壳结构、大跨交叉梁系结构。钢结构具有施工机械化程度高、抗震性能好等优点，但钢结构的最大缺点是耐火性能较差，需要采取涂覆钢结构防火涂料等防火措施才能耐受一定规模的火灾。在高大空间等钢结构建筑中，在进行钢结构耐火性能分析的基础上，如果火灾下钢结构周围的温度较低，并能保持结构安全时，钢结构可不必采取防火措施。
2.钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是在混凝土配置钢筋形成的结构，混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，二者共同承担荷载。当建筑结构耐火重要性较高，火灾荷载较大、人员密度较大或建筑结构受力复杂的场合时，钢筋混凝土结构的耐火能力也可能不满足要求。这时，需要进行钢筋混凝土结构及构件的耐火性能评估，确定结构的耐火性能是否满足要求。
3.钢-混凝土组合结构
(1)型钢混凝土结构。型钢混凝土结构是将型钢埋入钢筋混凝土结构形成一种组合结构，截面形式如图5-4-15所示。适合大跨、重载结构。由于型钢被混凝土包裹，火灾下钢材的温度较低，型钢混凝土结构的耐火性能较好。
图5-4-15 型钢混凝土结构
(2) 钢管混凝土结构。钢管混凝土结构是由钢和混凝土两种材料组成的，它充分发挥了钢和混凝土两种材料的优点，具有承载能力高、延性好等优点。钢管混凝土结构中，由于混凝土的存在可降低钢管的温度，钢管的温度比没有混凝土时要低得多。一般情况下，钢管混凝土结构中的钢管需要进行防火保护。钢管混凝土柱截面如图 5-4-16所示。
图5-4-16 钢管混凝土结构
(二)荷载比
荷载比为结构所承担的荷载与其极限荷载的比值。火灾下，结构承受的荷载总体不变，而随温度升高，材料强度降低，构件的承载能力降低。当构件的荷载达到极限荷载，构件就达到了火灾下的承载能力，构件就达到了耐火极限状态，开始倒塌破坏，这时的耐火时间为耐火极限。荷载比越大，构件的耐火极限越小，荷载比是影响结构及构件耐火性能的主要因素之一。
(三)火灾规模
火灾规模包括火灾温度和火灾持续时间。火灾高温是构件升温的源泉，它通过对流和辐射两种传热方式将热量从建筑内空气向构件传递。作为构件升温的驱动者，火灾规模对构件温度场有明显的影响。当火灾高温持续时间较长时，构件的升温也较高。
(四)结构及构件温度场
温度越高，材料性能劣化越严重，结构及构件的温度场是影响其耐火性能的主要因素之一。材料的热工性能直接影响构件的升温快慢，从而决定了火灾下结构及构件的温度场分布。
二、结构耐火性能分析的目的及判定标准
结构耐火性能分析的目的就是验算结构和构件的耐火性能是否满足现行规范要求。结构的耐火性能分析一般有两种方法：第一种验算结构和构件的耐火极限是否满足规范的要求;第二种即在规范规定的耐火极限时的火灾温度场作用下，结构和构件的承载能力是否大于荷载效应组合。这两种方法是等效的。
(一)耐火极限要求
构件的耐火极限要求应符合《建筑设计防火规范》GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045及其他相关国家标准的要求一致。
(二)构件抗火极限状态设计要求
《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提出了基于计算的结构及构件抗火验算方法。火灾发生的概率很小，是一种偶然荷载工况。因此，火灾下结构的验算标准可放宽。根据《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)，火灾下只进行整体结构或构件的承载能力极限状态的验算，不需要正常使用极限状态的验算。构件的承载能力极限状态包括以下几种情况：
①轴心受力构件截面屈服;
②受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构;
③构件整体丧失稳定;
④构件达到不适于继续承载的变形。对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构还要进行整体结构的承载能力验算。
三、计算分析模型
抗火验算时建筑结构耐火性能计算(一般也可称为抗火验算)一般有三种方法：第一种采取整体结构的计算模型;第二种采取子结构的计算模型;第三种采取单一构件计算模型。《建筑钢结构防火技术规范》(CECS200:2006)和广东省地方标准《建筑混凝土结构耐火设计技术规程》(DBJ/T 15-81-2011)规定，对于高度大于100m的高层建筑结构宜采用整体计算模型进行结构的抗火计算，单层和多层建筑结构可只进行构件的抗火验算。
实际建筑结构中，构件总是和其他构件相互作用，独立构件是不存在的。因此，研究构件的耐火性能需要考虑构件的边界条件。欧洲规范规定，进行构件耐火性能分析时，构件的边界条件可取受火前的边界条件，并在受火过程中保持不变。
整体结构耐火性能评估模型是一种高度非线性分析，计算难度较高，需要专门机构和专业人员完成。
四、建筑结构耐火性能分析的内容和步骤
建筑结构耐火性能分析包括温度场分析和高温下结构的安全性分析。建筑火灾模型和建筑材料的热工参数是进行结构温度场分析的基础资料。同样，高温下建筑材料的力学性能是建筑结构高温下安全性分析的基础资料。同时，进行建筑结构高温下安全性分析还需要确定火灾时的荷载。确定上述基本材料之后，就可按照一定的步骤进行高温下结构的抗火验算了。
(一)结构温度场分析
确定建筑火灾温度场需要火灾模型。我国《建筑设计防火规范》 GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045均提出可采用ISO834标准升温曲线作为一般建筑室内火灾的火灾模型。《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提出可采用参数化模型作为一般室内火灾的火灾模型，同时也提出了大空间室内火灾的火灾模型。由于建筑室内可燃物数量和分布、建筑空间大小及通风形式等因素对建筑火灾有较大影响，为了更加准确的确定火灾温度场，也可采用火灾模拟软件对建筑火灾进行数值模拟。
确定火灾模型之后，即可对建筑结构及构件进行传热分析，确定火灾作用下建筑结构及构件的温度。进行传热分析，需要已知建筑材料的热工性能。国内外对钢材、钢筋和混凝土材料的高温热工性能、力学性能进行了大量的研究。在进行构件温度场分布的分析时涉及到的材料热工性能有3项，即导热系数、质量热容和质量密度，其他的参数可以由这3项推导出。
1.钢材
《钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提供的高温下钢材的有关热工参数见表5-4-11。
表5-4-11 高温下钢材的物理参数
参数名称 符 号 数 值 单 位
热传导系数 45 W/(m?℃)
比热容 600 J/(kg?℃)
密 度 7850 kg/m3
2.混凝土
《钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提供的高温下普通混凝土的有关热工参数可按下述规定取值。
热传导系数可按式(5-4-49)取值;
20℃ 1200℃ (式5-4-49)
比热容应按式(5-4-50)取值;
20℃ 1200℃ (式5-4-50)
密度应按式(5-4-51)取值。
(式5-4-51)
式中： ――混凝土的温度(℃);
――混凝土的比热容 [J/(kg?℃)];
――混凝土的密度(kg/m3)。
(二)材料的高温性能
1.混凝土
高温下普通混凝土的轴心抗压强度、弹性模量应按下式确定：
(式5-4-52)
(式5-4-53)
式中： ――温度为 时混凝土的轴心抗压强度设计值(N/m┫);
――常温下混凝土的轴心抗压强度设计值(N/m┫)，应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010取值;
――高温下混凝土的轴心抗压强度折减系数，应按表5-4-12取值;其他温度下的值，可采用线性插值方法确定;
――高温下混凝土的弹性模量(N/m┫);
――高温下混凝土应力为 时的应变，按表5-4-12取值;其他温度下的值，可采用线性插值方法确定。
表5-4-12 高温下普通混凝土的轴心抗压强度折减系数 及应力为 时的应变
(℃) 20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
1.00 1.00 0.95 0.85 0.75 0.60 0.45 0.30 0.15 0.08 0.04 0.01 0
(×10-3) 2.5 4.0 5.5 7.0 10.0 15.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 25.0 -
2.钢材
在高温下，普通钢材的弹性模量应按下式计算：
(式5-4-54)
(式5-4-55)
式中， ―温度(℃);
―温度为 时钢材的初始弹性模量(N/m┫);
E―常温下钢材的弹性模量(N/m┫)，按现行《钢结构设计规范》(GB 50017)确定;
―高温下钢材的弹性模量折减系数。
高温下钢材的热膨胀系数可取1.4×10-5m/℃。
在高温下，普通钢材的屈服强度应按下式计算：
(式5-4-56)
(式5-4-57)
(式5-4-58)
式中： ――钢材的温度(℃);
――高温下钢材的屈服强度(N/m┫);
――常温下钢材的屈服强度(N/m┫);
――常温下钢材的强度设计值(N/m┫)，应按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017取值;
――钢材的分项系数，取 ;
――高温下钢材的屈服强度折减系数。
(三)火灾极限状态下荷载效应组合
《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)规定，火灾作用工况是一种偶然荷载工况，可按偶然设计状况的作用效应组合，采用下列较不利的设计表达式：
(式5-4-59)
(式5-4-60)
式中： ――荷载(作用)效应组合的设计值;
――按永久荷载标准值计算的荷载效应值;
――按火灾下结构的温度标准值计算的作用效应值;
――按楼面或屋面活荷载标准值计算的荷载效应值;
――按风荷载标准值计算的荷载效应值;
――结构重要性系数;对于耐火等级为一级的建筑， ;对于其他建筑， ;
――永久荷载的分项系数，一般可取 =1.0;当永久荷载有利时，取 =0.9;
――温度作用的分项系数，取 =1.0;
――楼面或屋面活荷载的分项系数，取 =1.0;
――风荷载的分项系数，取 =0.4;
――楼面或屋面活荷载的频遇值系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定取值;
――楼面或屋面活荷载的准永久值系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定取值。
(四)结构构件抗火验算基本规定
1.耐火极限要求
构件的耐火极限要求与《建筑设计防火规范》GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045及其他国家标准的要求一致。
2.构件抗火极限状态设计要求
《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提出了基于计算的构件抗火计算方法。火灾发生的概率很小，是一种耦合荷载工况。因此，火灾下结构的验算标准可放宽。根据《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)，火灾下只进行整体结构或构件的承载能力极限状态的验算，不需要正常使用极限状态的验算。构件的承载能力极限状态包括以下几种情况：
①轴心受力构件截面屈服;
②受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构;
③构件整体丧失稳定;
④构件达到不适于继续承载的变形。对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构还要进行整体结构的承载能力验算。
基于承载能力极限状态的要求，钢构件抗火设计应满足下列要求之一：
①在规定的结构耐火极限时间内，结构或构件的承载力Rd不应小于各种作用所产生的组合效应Sm，即：
(式5-4-61)
②在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间td不应小于规定的结构或构件的耐火极限tm，即：
(式5-4-62)
③结构或构件的临界温度Td不应低于在耐火极限时间内结构或构件的最高温度Tm，即：
(式5-4-63)
对钢结构来说，上述三条标准是等效的。由于钢构件温度分布较为均匀，因此，钢结构构件验算时采用上述第③条的最高温度标准，混凝土构件可采用前面两条标准。
3.构件抗火验算步骤
采用承载力法进行单层和多高层建筑钢结构各构件抗火验算时，其验算步骤为：
①设定防火被覆厚度。
②计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。
③计算结构构件在外荷载作用下的内力。
④进行荷载效应组合。
⑤根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。
⑥当设定的防火被覆厚度不合适时(过小或过大)，可调整防火被覆厚度，重复上述①～⑤步骤。
采用承载力法进行单层和多高层混凝土结构各构件抗火验算时，其验算步骤为：
①计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。
②计算结构构件在外荷载作用下的内力。
③进行荷载效应组合。
④根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。
⑤当设定的截面大小及保护层厚度不合适时(过小或过大)，可调整截面大小及保护层厚度，重复上述①～④步骤。
4.钢结构构件抗火验算
这里只介绍基于高温下承载能力验算的方法，火灾下钢构件的验算还有极限温度计算方法，读者可参考其他资料。
高温下，轴心受拉钢构件或轴心受压钢构件的强度应按下式验算：
(式5-4-64)
式中： ―火灾下构件的轴向拉力或轴向压力设计值;
―构件的净截面面积;
―高温下钢材的强度折减系数;
―钢构件的抗力分项系数，近似取 ;
―常温下钢材的强度设计值。
高温下，轴心受压钢构件的稳定性应按下式验算：
(式5-4-65)
(式5-4-66)
式中： ―火灾时构件的轴向压力设计值;
―构件的毛截面面积;
―高温下钢材的强度折减系数;
―钢构件的抗力分项系数，近似取 ;
―常温下钢材的强度设计值。
―高温下轴心受压钢构件的稳定验算参数;对于普通结构钢构件，根据构件长细比和构件温度按规范表格采用;
―常温下轴心受压钢构件的稳定系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017确定。
高温下，单轴受弯钢构件的强度应按下式验算：
(式5-4-67)
式中： ―火灾时最不利截面处的弯矩设计值;
―最不利截面的净截面模量;
―截面塑性发展系数;对于工字型截面 ， ，对于箱形截面 ，对于圆钢管截面 。
高温下，单轴受弯钢构件的稳定性应按下式验算：
(式5-4-68)
(式5-4-69)
式中： ―火灾时构件的最大弯矩设计值;
―纤维确定的构件毛截面模量;
―高温下受弯钢构件的稳定系数;
―常温下受弯钢构件的稳定系数(基于弹性阶段)，按现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017)有关规定计算，但当所计算的 时， 不作修正;
―高温下受弯钢构件的稳定验算参数。
高温下，拉弯或压弯钢构件的强度，应按下式验算：
(式5-4-70)
式中： ―火灾时构件的轴力设计值;
―纤维确定的构件毛截面模量;
、 ―火灾时最不利截面处的弯矩设计值，分别对应于强轴x轴和弱轴y轴;
―构件的净截面面积;
、 ―分别为对强轴x轴和弱轴y轴的净截面模量;
、 ―分别为绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的截面塑性发展系数，对于工字型截面 、 ，对于箱形截面 ，对于圆钢管截面 。
高温下，压弯钢构件的稳定性应按下式验算：
①绕强轴x轴弯曲：
(式5-4-71)
(式5-4-72)
②绕弱轴y轴弯曲：
(式5-4-73)
(式5-4-74)
式中： ―火灾时构件的轴向压力设计值;
、 ―分别为火灾时所计算构件段范围内对强轴和弱轴的最大弯矩设计值;
―构件的毛截面面积;
、 ―分别为对强轴和弱轴的毛截面模量;
、 ―分别为高温下绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的参数;
、 ―分别为对强轴和弱轴的长细比;
、 ―高温下轴心受压钢构件的稳定系数，分别对应于强轴失稳和弱轴失稳;
、 ―高温下均匀弯曲受弯钢构件的稳定系数，分别对应于强轴失稳和弱轴失稳;
、 ―分别为绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的截面塑性发展系数，对于工字型截面 、 ，对于箱形截面 ，对于圆钢管截面 ;
―截面影响系数，对于闭口截面 ，对于其它截面 ;
、 ―弯矩作用平面内的等效弯矩系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017确定;
、 ―弯矩作用平面外的等效弯矩系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017确定。
5.钢筋混凝土构件抗火验算
目前，尚没有国家标准提出钢筋混凝土构件的抗火验算方法，钢筋混凝土构件的抗火验算一般依据通用的非线性有限元方法进行计算。
6.整体结构抗火验算
(1)整体结构抗火极限状态 整体结构的承载能力极限状态为：
①结构产生足够的塑性铰形成可变机构;
②结构整体丧失稳定。对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构还要进行整体结构的承载能力验算。
(2) 整体结构抗火验算原理。上节给出的规范抗火设计方法是基于计算的抗火设计方法，要求结构的设计内力组合小于结构或构件的抗力。火灾高温作用下，结构的材料力学性质发生较大变化。基于防火设计性能化的要求，对于一些复杂、重要性高的建筑结构，需要考虑高温下材料本构关系的变化、结构的内力重分布、整体结构的倒塌破坏过程，这就需要对火灾下建筑结构的行为进行准确确定。对火灾下建筑结构的内力重分布、结构极限状态及耐火极限的确定，需要采用基于性能的结构耐火性能计算方法。整体结构耐火性能计算方法需要采用非线性有限元方法完成。
整体结构耐火性能计算的一般步骤为：
①确定材料热工性能及高温下材料的本构关系和热膨胀系数;
②确定火灾升温曲线及火灾场景;
③建立建筑结构传热分析和结构分析有限元模型;
④进行结构传热分析;
⑤将按照火灾极限状态的组合荷载施加到结构分析有限元模型，进行结构力学性能非线性分析;
⑥确定建筑结构整体的火灾安全性;
⑦按照上节要求进行构件的验算。
(3)钢结构及钢筋混凝土结构整体结构抗火验算的具体步骤。
对单层和多高层建筑钢结构整体抗火验算时，其验算步骤为：
①设定结构所有构件一定的防火被覆厚度;
②确定一定的火灾场景;
③进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析;
④荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求;
⑤当设定的结构防火被覆厚度不合适时(过小或过大)，调整防火被覆厚度，重复上述①～④步骤。
对单层和多高层钢筋混凝土结构整体抗火验算时，可采用如下步骤：
①确定一定的火灾场景;
②进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析;
③荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求;
④当整体结构和构件承载力不满足要求时，调整截面大小及其配筋，重复上述①～③步骤。