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钢结构抗火设计方法的发展
李国强
同济大学
摘要
本文论述了火灾对钢结构的危害和钢结构抗火设计的目标与意义。介绍了传统的钢结构抗火设计方法和基于计算的现代钢结构抗火设计方法以及所存在的问题，指出了今后钢结构抗火设计的发展趋势。
关键词  钢结构，抗火，设计

The Development of Fire-Resistant Design Method
for Steel Structures
LI Guo-Qiang
( Tongji University)

ABSTRACT: The destruction caused by fire to steel structures is indicated in this paper and the purposes as well as the meaning of fire-resistant design of steel structures are presented.  The problems and shortcomings of the traditional method based on experiments for fire-resistant design of steel structures are pointed out and the modern method based on analysis is introduced.  Finally, the development trend of the approach for design of fire-resistance for steel structures is predicted.
Keywords: steel structures, fire-resistance, design

一、火灾对钢结构的危害
钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。例如，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌，1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；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年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。表1是我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。
表1  钢结构屋盖火灾倒塌实例
建筑名称        结构类型        火灾日期        破坏情况
重庆天原化工厂        钢屋架        1960.2.18        20min倒塌
上海文化广场        钢屋架        1969.12          倒塌
天津市体育馆        钢屋架        1973.5.5        19min倒塌
长春卷烟厂        钢木屋架        1981.4.5          倒塌
北京友谊宾馆剧场        钢木屋架        1983.12        20min倒塌
唐山市棉纺织厂        钢梁        1986.2.8        20min倒塌
北京高压气瓶厂        钢屋架        1986.4.8          倒塌
江油电厂俱乐部        钢屋架        1987.4.21        20min倒塌
二、结构耐火极限
长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火（对结构更适合称抗火）问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件（如梁、楼板、楼梯等）在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间（或耐火极限）的规定。表2是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。
表2  建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限
耐火等级
燃烧性能和耐火极限（h）
构件名称       
一级       
二级       
三级       
四级


墙        防火墙        非燃烧体
4.00        非燃烧体
4.00        非燃烧体
4.00        非燃烧体
4.00
        承重墙、楼梯间、电梯井的墙        非燃烧体
3.00        非燃烧体
2.50        非燃烧体
2.50        难燃烧体
0.50

柱        支承多层的柱        非燃烧体
3.00        非燃烧体
2.50        非燃烧体
2.50        难燃烧体
0.50
        支承单层的柱        非燃烧体
2.50        非燃烧体
2.00        非燃烧体
2.00        燃烧体

梁        非燃烧体
2.00        非燃烧体
1.50        非燃烧体
1.00        难燃烧体
0.50
楼板        非燃烧体
1.50        非燃烧体
1.00        非燃烧体
0.50        难燃烧体
0.25
屋顶承重构件        非燃烧体
1.50        非燃烧体
0.50        燃烧体
        燃烧体

疏散楼梯        非燃烧体
1.50        非燃烧体
1.00        非燃烧体
1.00        燃烧体

三、钢结构抗火设计的目标与意义
钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢虽为非燃烧材料，但不耐火，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低（图1），而火灾升温迅速（表3），故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此钢结构抗火设计的一般要求是：如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
表3  ISO834标准升温曲线温度时间关系
时间(min)        温度升高，Tg-T0(℃)
0        0
5        556
10        659
15        718
30        821
60        925
90        986
120        1029
180        1090
240        1133
360        1193

图1   、 随温度的变化
    进行结构抗火设计具有如下意义：
（1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构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、传统的钢结构抗火设计方法
    传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定。进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可，因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄。
    实际上，将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，构件受火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。正是注意到试验的上述缺陷，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70年代就大量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工作。
    从以前发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象，一类为有防火保护的钢结构在火灾中因没有达到预期的耐火时间而破坏，另一类为有防火保护的钢结构在超过预期耐火时间的火灾中并没有破坏。经分析，造成这两类现象虽有实际火灾升温与标准火灾升温不一致的原因，但另一个重要原因是，由试验确定的构件耐火时间，不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。因此通过计算进行钢结构的抗火设计，其意义是显著的。实际上，目前英国、瑞典、美国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构抗火设计规范，其中均规定了进行结构抗火计算的内容。
五、基于计算的现代钢结构抗火设计方法
    基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响，在我国第一部钢结构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》中即采纳了这种方法，其计算过程如下：
（1）采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
（3）采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
（4）进行荷载效应组合
                   (1)
式中         —荷载组合效应；
—永久荷载标准值；
—楼面或屋面活载（不考虑屋面雪载）标准值；
—风载标准值；
—构件或结构的温度变化（考虑温度效应）；
—永久荷载分项系数，取1.0；
—楼面或屋面活载分项系数，取0.7；
—风载分项系数，取0或0.3，选不利情况；
—温度效应的分项系数，取1.0；
—分别为永久荷载、楼面或屋面活载、风载和温度影响
  的效应系数。
（5）根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。验算公式为：
     对于轴心受压钢构件
                                                                                                 (2)
式中        N— 火灾下构件所受的轴压力设计值；
                A— 柱的毛截面面积；
                 — 高温下轴心受压构件的稳定系数；

                 — 系数，根据构件的长细比和温度按表4确定；
表4  系数 的确定
   构件温度 ℃
构件长细比        200        300        400        500        550        570        580        600
50        1.00        1.00        1.00        1.00        1.00        1.00        1.00        0.96
100        1.04        1.08        1.12        1.12        1.05        1.00        0.97        0.85
150        1.08        1.14        1.21        1.21        1.11        1.00        0.94        0.74
200        1.10        1.17        1.25        1.25        1.13        1.00        0.93        0.68

— 常温下对应长细比和截面类型的轴心受压柱的稳定系数，根据现行钢结构设计规范有关规定确定；
T － 高温下钢材强度手抓减系数；
                                                                               
Ts － 钢材强度（单位：C）；
R－ 钢结构抗火设计强度调整系数，取R = 1.1。
    对于受弯构件
                                                                                 (3)
式中        Mx— 火灾下梁的最大弯矩设计值；
                Wx— 绕x轴的毛截面抵抗矩；
                 — 高温下钢梁的整体稳定系数；

                 — 系数，按下式确定


                Ts—— 钢梁的平均温度；
— 常温下对应长细比和截面类型的钢梁的整体稳定系数，根据现行钢结构设计
      规范有关规定确定。
    当 时，按下式将 修正为

    对于偏心受压构件
                                (4a)
                                                        (4b)
式中        N，Mx— 分别为火灾下偏心受压构件轴力和最大弯矩设计值；
m，t— 等效弯矩系数，根据现行钢结构设计规范有关规定确定；
， — 分别为高温下弯矩作用平面内及平面外轴压构件整体稳定系数；
— 高温下均匀受弯构件整体稳定系数；
NEXT— 高温下弯矩作用平面内的欧拉临界力；

x— 构件弯矩作用平面内柱的长细比。
    上列钢结构抗火验算公式与常温下钢结构的验算公式形式相同，便于结构工程师掌握与应用。
（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。
六、结构抗火设计方法的发展趋势
    结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。
    现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。
参考文献
[1]        李国强、蒋首超、林桂祥，钢结构抗火计算与设计，中国建筑工业出版社，1999年6
    月
[2]        CEN (European Committee for Standardization), ENV 1991-2-2, Eurocode 1 - Basis of
design and actions on structure - Part 2-2, Actions on structures - Actions on structures
exposed to fire, English Version, February 1995
[3]        ECCS (European Convention for Constructional Steelwork) European Recommendations for
    the Fire Safety of Steel Structures, 1983
[4]        BSI, BS5950: Part:8 1990, Code of Practice for Fire Resistance Design
[5]        ECCS, Design Manual on the European Recommendations for the Fire Safety of Steel
    tructures, 1985
[6]        上海市标准《钢结构防火技术规程》（送审稿），1999年7月
[7]        李国强、金福安，火灾时钢框架结构的极限状态分析，土木工程学报，1994年第1期
[8]        李国强、沈祖炎，高温下轴心受压钢构件的极限承载力，建筑结构，1993年第9期
[9]        李国强，钢梁抗火计算与设计的实用方法，工业建筑，1994年第7期
[10]        李国强、沈祖炎，钢柱抗火计算与设计的实用方法，工业建筑，1995年第2期
[11]        李国强、张宏德，局部火灾下钢框架中上翼缘无侧移工字梁的极限状态计算，建筑结构
    学报，1997年4月
[12] 李国强 蒋首超，非均布高温钢结构梁单元切线刚度方程，同济大学学报（1999年第
     一期）
[13] Li Guoqiang  Jiang Shouchao, Prediction to Nonlinear Behavior of Steel Frames Subjected
    to Fire, Fire Safety Journal, Vol.32, No.4, 1999, pp347-368