钢结构抗火设计概述

衣娜 沈巧智 王晖 李荣

摘要：本文论述了钢结构的优缺点、钢结构火灾危害及钢结构杭火设计的目的与要求，介绍了传统的钢结构抗火设计方法及其缺陷，指出基于火灾高温结构承载极限状态的现代钢结构抗火设计方法和性能化钢结构抗火设计方法是今后钢结构抗火设计方法的发展趋势。

关键词：钢结构；抗火设计；传统方法；现代方法；性能化结构设计

中图分类号：TU319 文献标识码： A

一、引言

钢结构是现代建筑工程中较普遍的结构形式之一，随着我国经济的发展和建筑技术的日新月异，钢结构这种建筑结构形式以其重量轻承载力大、塑性韧性好、施工简便、布置灵活等特点广泛应用于超高层建筑、体育馆和大型厂房等建筑中，中国钢结构代表性建筑有国家体育馆、水立方、国家大剧院、上海环球金融中心、南京长江大桥等。但是钢结构耐火性差，钢结构在耐火方面有两个致命的缺点，一是钢材的导热系数很大，火灾下无防火保护的钢构件的温度随着环境温度的上升在15min内就可能超过600℃；二是钢材的强度和弹性模量随着温度的上升而下降，温度为600℃时，钢材的强度和弹性模量将降至常温下的一半，承载力大大下降，因此在火灾中钢结构极易受到破坏或倒塌。

二、钢结构火灾危害

钢结构在火灾下很容易遭到破坏甚至倒塌。例如,1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾,造成3600m2的库房倒塌；1996江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾 , 4320m2的厂房烧塌；1998年北京某家具城发生火灾, 造成该建筑 (钢结构)整体倒塌；2001年美国“9.11”事件中纽约世贸大厦的倒塌,普遍认为飞机撞击后引起的火灾是主要原因；而同年台湾一幢26层的高层钢结构建筑发生火灾,造成了梁、梁柱连接及楼板的严重破坏[1]；2003年上海某钢结构厂房发生火灾,造成整体结构倒塌。钢结构火灾给人类的生命、财产安全造成了重大损失，因此，钢结构抗火设计至关重要

三、钢结构抗火设计目的

钢结构抗火设计,一般期望达到如目的:

(l) 减轻结构构件在火灾中的破坏,避免构件在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；

(2) 避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；

(3) 减少火灾后结构的修复费用 , 缩短灾后结构功能恢复周期 ,减少间接经济损失；

四、钢结构抗火的计算模型

结构分析模型可采用构件模型、子结构模型和整体结构模型。构件模型相对简单，但难以准确模拟边界约束条件。而子结构模型可以解决这一问题，但计算要比构件模型复杂。整体结构模型可以准确反映火灾下钢框架整体的行为，但计算工作量最为复杂。构件模型和子结构模型可用于火灾下构件层次的结构承载力极限状态分析，整体结构模型主要应用于火灾下整体结构层次的结构承载力极限状态分析。

五、钢结构抗火设计要求

钢结构抗火设计中，无论是构件层次还是整体结构层次，均需满足下列要求：

1.在各种荷载效应组合下，钢结构耐火时间应不小于规定的结构耐火极限；

2.在规定的结构耐火极限内，钢结构的抗力应不小于荷载组合效应。

上述两个要求是等效的，满足其一即可,可统一表示为：

结构抗火能力≥结构抗火需求

六、钢梁抗火设计方法

1.传统钢结构抗火设计方法

这种方法是基于试验的构件抗火设计方法，该方法以试验为依据，对构件在一定荷载分布与标准升温条件下进行耐火试验，从而确定采取不同的防火保护措施后构件的耐火时间。通过进行一系列的耐火试验，可确定各种防火措施下构件的耐火时间。进行钢结构抗火设计时，可根据不同构件的耐火时间要求，直接选取相应的防火保护措施。这种方法简单、直观，我国现行GBJ 16-87 《建筑设计防火规范》[2]中关于梁和柱的防火措施的要求正是基于此法。然而该试验方法存在很多缺陷。

（1）构件的端部约束难以实现。钢梁在整体结构中受到相邻构件（柱子）对其的约束构件端部约束状态不同，构件的承载力以及火灾升温所产生的构件温度内力将不同[3]，而这两方面对钢梁的耐火时间有重要的影响，结构中构件的端部约束千变万化，试验很难全面准确的模拟。

（2）钢梁上的荷载分布及大小难以模拟。而荷载分布及大小对构件耐火时间的影响很大，实际构件受力各不相同 , 试验难以概全。

（3）结构的耐火时间基于ISO834升温曲线确定,而现有的研究表明真实火灾与火荷载密度、通风条件、建筑形式等因素密切相关, ISO834曲线并不能反应火灾的真实情况。而火灾升温曲线对结构耐火时间有很大影响。

（4）构件受火后在结构中会产生温度应力 , 而这一影响在构件试验中也难以准确反映。

鉴于试验的上述缺陷, 结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法, 转为基于计算的现代方法, 特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大规模地开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。

2.现代钢结构抗火设计方法

为解决基于试验的结构抗火设计方法存在的问题，可利用热传导理论和结构分析理论，考虑构件的受力大小和形式，构件的截面尺寸、构件的约束形式对构件抗火能力的影响，通过计算确定构件的抗火能力，更符合客观实际。现代人们建立了完善的工程结构计算理论 , 有限元理论更是解决了复杂工程结构 (如大坝、大垮桥梁、高层建筑等) 的分析计算问题,这些结构分析和承载力计算理论经试验验证后 , 被各种设计规范采纳 ,各种结构仅依据计算即可完成设计。这种依据计算进行结构设计的方法,可称为现代结构设计方法,其用于结构设计的步骤为:

（1） 进行结构在外荷载下的分析,确定结构内力 ；

（2）计算结构构件承载力 ；

（3）判别构件承载力是否大于构件内力。如果是, 则结构安全,如果否,则结构不安全。

3.性能化结构抗火设计方法[4]

这种方法对结构抗火需求进行改进，根据具体结构对象，直接以人员安全和火灾经济损失最小为目标，确定结构抗火需求；另考虑实际火灾升温及结构整体性能对结构抗火能力的影响。由于性能化方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，因此是一种先进的抗火设计方法。但是要使钢结构性能化抗火设计方法得以具体实施,除需解决有理论问题外,业主、设计人员、消防主管部门的观念更新也是一个重要的方面。

七、总结

本文分析了钢梁抗火设计的目的、要求和方法，指出了传统钢结构抗火设计方法的优缺点，随着结构抗火理论研究的深人和结构抗火计算理论的完善,依据计算就能实现的基于结构高温承载极限状态的现代钢结构抗火设计方法必将得到推广应用。2000年颁布的上海市标准《建筑钢结构抗火技术规程》中，首次采用了基于计算的方法进行钢结构抗火设计。目前，国内外已将性能化方法引入建筑消防安全设计，性能化抗火设计设计方法将会是今后钢结构抗火设计方法的发展趋势。

参考文献

[1] 李国强．现代钢结构抗火设计方法．消防科学与技术[J]，2002年第1期．

[2] 中华人民共和国国家标准．建筑设计防火规范(GB16－87,修订本)北京：[S]，北京：中国计划出版社．

[3] 郭士雄，李国强．火灾下约束钢梁的受力性能及抗火设计方法,建筑结构，2005,12．

[4] 李国强．性能化钢结构抗火设计（第十三届全国结构工程学术会议特邀报告），工程力学，2004,12．