衣娜 沈巧智 王暉 李榮

摘要：本文論述了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)危害及鋼結(jié)構(gòu)杭火設(shè)計(jì)的目的與要求，介紹了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法及其缺陷，指出基于火災(zāi)高溫結(jié)構(gòu)承載極限狀態(tài)的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法和性能化鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法是今后鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；抗火設(shè)計(jì)；傳統(tǒng)方法；現(xiàn)代方法；性能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、引言

鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程中較普遍的結(jié)構(gòu)形式之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑技術(shù)的日新月異，鋼結(jié)構(gòu)這種建筑結(jié)構(gòu)形式以其重量輕承載力大、塑性韌性好、施工簡(jiǎn)便、布置靈活等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于超高層建筑、體育館和大型廠房等建筑中，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)代表性建筑有國(guó)家體育館、水立方、國(guó)家大劇院、上海環(huán)球金融中心、南京長(zhǎng)江大橋等。但是鋼結(jié)構(gòu)耐火性差，鋼結(jié)構(gòu)在耐火方面有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，一是鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)很大，火災(zāi)下無(wú)防火保護(hù)的鋼構(gòu)件的溫度隨著環(huán)境溫度的上升在15min內(nèi)就可能超過(guò)600℃；二是鋼材的強(qiáng)度和彈性模量隨著溫度的上升而下降，溫度為600℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度和彈性模量將降至常溫下的一半，承載力大大下降，因此在火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)極易受到破壞或倒塌。

二、鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)危害

鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下很容易遭到破壞甚至倒塌。例如,1993年我國(guó)福建泉州一座鋼結(jié)構(gòu)冷庫(kù)發(fā)生火災(zāi),造成3600m2的庫(kù)房倒塌；1996江蘇省昆山市的一輕鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災(zāi) , 4320m2的廠房燒塌；1998年北京某家具城發(fā)生火災(zāi), 造成該建筑 (鋼結(jié)構(gòu))整體倒塌；2001年美國(guó)“9.11”事件中紐約世貿(mào)大廈的倒塌,普遍認(rèn)為飛機(jī)撞擊后引起的火災(zāi)是主要原因；而同年臺(tái)灣一幢26層的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生火災(zāi),造成了梁、梁柱連接及樓板的嚴(yán)重破壞[1]；2003年上海某鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災(zāi),造成整體結(jié)構(gòu)倒塌。鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)給人類(lèi)的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失，因此，鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)至關(guān)重要

三、鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)目的

鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì),一般期望達(dá)到如目的:

(l) 減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞,避免構(gòu)件在火災(zāi)中局部倒塌造成滅火及人員疏散困難；

(2) 避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中整體倒塌造成人員傷亡；

(3) 減少火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用 , 縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)周期 ,減少間接經(jīng)濟(jì)損失；

四、鋼結(jié)構(gòu)抗火的計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)分析模型可采用構(gòu)件模型、子結(jié)構(gòu)模型和整體結(jié)構(gòu)模型。構(gòu)件模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但難以準(zhǔn)確模擬邊界約束條件。而子結(jié)構(gòu)模型可以解決這一問(wèn)題，但計(jì)算要比構(gòu)件模型復(fù)雜。整體結(jié)構(gòu)模型可以準(zhǔn)確反映火災(zāi)下鋼框架整體的行為，但計(jì)算工作量最為復(fù)雜。構(gòu)件模型和子結(jié)構(gòu)模型可用于火災(zāi)下構(gòu)件層次的結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)分析，整體結(jié)構(gòu)模型主要應(yīng)用于火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)層次的結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)分析。

五、鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)要求

鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)中，無(wú)論是構(gòu)件層次還是整體結(jié)構(gòu)層次，均需滿(mǎn)足下列要求：

1.在各種荷載效應(yīng)組合下，鋼結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限；

2.在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)的抗力應(yīng)不小于荷載組合效應(yīng)。

上述兩個(gè)要求是等效的，滿(mǎn)足其一即可,可統(tǒng)一表示為：

結(jié)構(gòu)抗火能力≥結(jié)構(gòu)抗火需求

六、鋼梁抗火設(shè)計(jì)方法

1.傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法

這種方法是基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法，該方法以試驗(yàn)為依據(jù)，對(duì)構(gòu)件在一定荷載分布與標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下進(jìn)行耐火試驗(yàn)，從而確定采取不同的防火保護(hù)措施后構(gòu)件的耐火時(shí)間。通過(guò)進(jìn)行一系列的耐火試驗(yàn)，可確定各種防火措施下構(gòu)件的耐火時(shí)間。進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同構(gòu)件的耐火時(shí)間要求，直接選取相應(yīng)的防火保護(hù)措施。這種方法簡(jiǎn)單、直觀，我國(guó)現(xiàn)行GBJ 16-87 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[2]中關(guān)于梁和柱的防火措施的要求正是基于此法。然而該試驗(yàn)方法存在很多缺陷。

（1）構(gòu)件的端部約束難以實(shí)現(xiàn)。鋼梁在整體結(jié)構(gòu)中受到相鄰構(gòu)件（柱子）對(duì)其的約束構(gòu)件端部約束狀態(tài)不同，構(gòu)件的承載力以及火災(zāi)升溫所產(chǎn)生的構(gòu)件溫度內(nèi)力將不同[3]，而這兩方面對(duì)鋼梁的耐火時(shí)間有重要的影響，結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的端部約束千變?nèi)f化，試驗(yàn)很難全面準(zhǔn)確的模擬。

（2）鋼梁上的荷載分布及大小難以模擬。而荷載分布及大小對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響很大，實(shí)際構(gòu)件受力各不相同 , 試驗(yàn)難以概全。

（3）結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間基于ISO834升溫曲線(xiàn)確定,而現(xiàn)有的研究表明真實(shí)火災(zāi)與火荷載密度、通風(fēng)條件、建筑形式等因素密切相關(guān), ISO834曲線(xiàn)并不能反應(yīng)火災(zāi)的真實(shí)情況。而火災(zāi)升溫曲線(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間有很大影響。

（4）構(gòu)件受火后在結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力 , 而這一影響在構(gòu)件試驗(yàn)中也難以準(zhǔn)確反映。

鑒于試驗(yàn)的上述缺陷, 結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法已開(kāi)始從基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法, 轉(zhuǎn)為基于計(jì)算的現(xiàn)代方法, 特別是英國(guó)、瑞典、美國(guó)、日本等從20世紀(jì)70年代就大規(guī)模地開(kāi)展了考慮上述諸因素的結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)方法的研究。

2.現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法

為解決基于試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題，可利用熱傳導(dǎo)理論和結(jié)構(gòu)分析理論，考慮構(gòu)件的受力大小和形式，構(gòu)件的截面尺寸、構(gòu)件的約束形式對(duì)構(gòu)件抗火能力的影響，通過(guò)計(jì)算確定構(gòu)件的抗火能力，更符合客觀實(shí)際?，F(xiàn)代人們建立了完善的工程結(jié)構(gòu)計(jì)算理論 , 有限元理論更是解決了復(fù)雜工程結(jié)構(gòu) (如大壩、大垮橋梁、高層建筑等) 的分析計(jì)算問(wèn)題,這些結(jié)構(gòu)分析和承載力計(jì)算理論經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后 , 被各種設(shè)計(jì)規(guī)范采納 ,各種結(jié)構(gòu)僅依據(jù)計(jì)算即可完成設(shè)計(jì)。這種依據(jù)計(jì)算進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法,可稱(chēng)為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,其用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟為:

（1） 進(jìn)行結(jié)構(gòu)在外荷載下的分析,確定結(jié)構(gòu)內(nèi)力 ；

（2）計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力 ；

（3）判別構(gòu)件承載力是否大于構(gòu)件內(nèi)力。如果是, 則結(jié)構(gòu)安全,如果否,則結(jié)構(gòu)不安全。

3.性能化結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法[4]

這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)抗火需求進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對(duì)象，直接以人員安全和火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失最小為目標(biāo)，確定結(jié)構(gòu)抗火需求；另考慮實(shí)際火災(zāi)升溫及結(jié)構(gòu)整體性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗火能力的影響。由于性能化方法以結(jié)構(gòu)抗火需求為目標(biāo)，最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗火能力，因此是一種先進(jìn)的抗火設(shè)計(jì)方法。但是要使鋼結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計(jì)方法得以具體實(shí)施,除需解決有理論問(wèn)題外,業(yè)主、設(shè)計(jì)人員、消防主管部門(mén)的觀念更新也是一個(gè)重要的方面。

七、總結(jié)

本文分析了鋼梁抗火設(shè)計(jì)的目的、要求和方法，指出了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著結(jié)構(gòu)抗火理論研究的深人和結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算理論的完善,依據(jù)計(jì)算就能實(shí)現(xiàn)的基于結(jié)構(gòu)高溫承載極限狀態(tài)的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法必將得到推廣應(yīng)用。2000年頒布的上海市標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火技術(shù)規(guī)程》中，首次采用了基于計(jì)算的方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外已將性能化方法引入建筑消防安全設(shè)計(jì)，性能化抗火設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法將會(huì)是今后鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李國(guó)強(qiáng)．現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法．消防科學(xué)與技術(shù)[J]，2002年第1期．

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GB16－87,修訂本)北京：[S]，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社．

[3] 郭士雄，李國(guó)強(qiáng)．火災(zāi)下約束鋼梁的受力性能及抗火設(shè)計(jì)方法,建筑結(jié)構(gòu)，2005,12．

[4] 李國(guó)強(qiáng)．性能化鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)（第十三屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議特邀報(bào)告），工程力學(xué)，2004,12．