文/劉現(xiàn)鵬 聊城市恒信規(guī)劃建筑設(shè)計研究院 山東聊城 252000

芻議鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計

文/劉現(xiàn)鵬 聊城市恒信規(guī)劃建筑設(shè)計研究院 山東聊城 252000

文章結(jié)合工程實例，運用臨界溫度法對建筑鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計，期望對同類型工程能夠有所借鑒。

鋼結(jié)構(gòu)；建筑構(gòu)件；防火設(shè)計；臨界溫度法

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，鋼桁架結(jié)構(gòu)是最為常見的一種形式。然而因鋼材不具備耐火特性，使得鋼桁架結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生火災(zāi)極為容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。如果沒有進(jìn)行相應(yīng)的防火設(shè)計，鋼桁架結(jié)構(gòu)的耐火時間僅僅為15-20分鐘左右。因此探討鋼桁架結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計極其重要。

一、基于臨界溫度法的鋼桁架結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計

采用基于臨界溫度法的時候，設(shè)計鋼桁架結(jié)構(gòu)的防火需遵循如下步驟：對于鋼桁架的臨界溫度進(jìn)行確定→依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的實際狀況，通過相應(yīng)的公式來合理計算最高溫度→比對臨界溫度、最高溫度，以便于據(jù)此制定最終的解決方案。通常有兩種方法可以對臨界溫度進(jìn)行確定。其一是采用施工經(jīng)驗、查閱文獻(xiàn)資料的途徑進(jìn)行確定；其二是借助結(jié)構(gòu)分析理論，采用計算的方式來求得結(jié)果。

（一）結(jié)合施工經(jīng)驗或者通過查閱文獻(xiàn)資料的方式來對臨界溫度進(jìn)行有效確定

據(jù)針對鋼材進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗后，可以得到如下結(jié)論：當(dāng)鋼材面臨著低于200℃的溫度時，其強(qiáng)度變化幾乎和常溫狀態(tài)下無異；當(dāng)鋼材面臨著低于300℃的溫度時，其強(qiáng)度開始下降，和常溫狀態(tài)下相比，強(qiáng)度下降15%；但是如果溫度直接高于300℃，則且強(qiáng)度則迅速下降，一旦溫度高于400℃，強(qiáng)度呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢。由上可知，可以保守的將鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度確定為300℃，甚至再保守一點，直接將其設(shè)定為200℃。然而，查閱大量文獻(xiàn)資料后得知，也有將鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度確定為325℃。

（二）利用結(jié)構(gòu)分析理論計算臨界溫度

結(jié)構(gòu)分析理論的主要原理在于：當(dāng)建筑構(gòu)件發(fā)生火災(zāi)的時候，只需要計算火災(zāi)工況下的荷載比即可對臨界溫度進(jìn)行有效確定。所謂構(gòu)件的荷載比，則可以通過火災(zāi)狀況下，構(gòu)件的荷載效應(yīng)設(shè)計值和常溫狀態(tài)下構(gòu)件承載力設(shè)計值之比來求得。一般來說，荷載比和臨界溫度是呈反比的關(guān)系，也就是越大的荷載比，反而會呈現(xiàn)越低的臨界溫度。軸心受力基本上是鋼桁架結(jié)構(gòu)的主要受力形式，且分為抽心受拉和軸心受壓。如果是軸心受拉的鋼構(gòu)件，只需要依據(jù)截面強(qiáng)度荷載比R的標(biāo)準(zhǔn)值即可確定。截面強(qiáng)度荷載比R可以由下述公式求得：

上述公式中，N表示火災(zāi)狀況下構(gòu)件的軸向拉力設(shè)計值；An表示構(gòu)件的凈截面面積；f代表常溫狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計值。

而對于軸心受壓的鋼構(gòu)件，其臨界溫度則可以依據(jù)截面強(qiáng)度荷載比R和穩(wěn)定荷載比R’來確定，最終對比二者結(jié)果，最小的則可以確定為臨界溫度。R’按式（2）計算。

公式中：N為火災(zāi)時構(gòu)件的軸向壓力設(shè)計值；A為構(gòu)件的毛截面面積；為常溫下軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。

二、工程實例

(一)工程概況

某房屋建筑面積大約為62115m2，整體建筑高度為40m，地下主要用于停車庫、配電房、空調(diào)機(jī)房以及水泵房等，層高為5m。地上一層主要用于會議展廳，層高為9m。二層的層高為12-30m，主要分布的其大2-8號大型會議室等。該建筑主要運用的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋頂用的是鋼桁架結(jié)構(gòu)，耐火的等級為1級。

（二）鋼桁架抗火分析

我們選用臨界溫度法來進(jìn)行鋼桁架結(jié)構(gòu)的防火分析，依據(jù)經(jīng)驗值，確定臨界溫度為300℃，設(shè)定火災(zāi)場景后運用堆成羽流法來對結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行計算。如果結(jié)構(gòu)的溫度低于300℃，則無需進(jìn)行防火保護(hù)，如果超過了300℃，則可以認(rèn)定結(jié)構(gòu)失效，需要進(jìn)行相應(yīng)的防火保護(hù)。在二層的5號會議廳設(shè)置一個火源點，具體火災(zāi)釋放速度根據(jù)快速火進(jìn)行確定。由于該區(qū)域一旦出現(xiàn)火災(zāi)，消防人員能夠在10min內(nèi)就控制主主要火勢，根據(jù)相關(guān)計算公式，得到火災(zāi)的熱釋放速率為16880kw。選取火源總釋放速率的70%作為對流熱釋放速率，也就是11816kw，將周邊環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，煙氣的比熱容CP取1.02kJ/ （kg?℃），其他基本參數(shù)按前述取值。分別取高于火源面8、9、10、11、12 m位置，并對煙羽流溫度進(jìn)行計算，可以保守的認(rèn)為煙氣溫度為鋼結(jié)構(gòu)的溫度。具體計算結(jié)果如下表所示：

表1　羽流溫度計算結(jié)果

（三）結(jié)果分析

由上可知，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)位置低于10m的時候，其所有的溫度全部超過了300℃。我們選取1.2倍的安全系數(shù)，則可以認(rèn)定低于12m的位置，所有鋼結(jié)構(gòu)的溫度也會超過300℃。這時就必須選取一定的防火措施。相對而言，高于12m的位置，鋼結(jié)構(gòu)的溫度并沒有超過300℃，因此或火災(zāi)對于整個結(jié)構(gòu)的影響比較小。所以對于該房屋建筑而言，對于整個屋頂結(jié)構(gòu)而言，因其全部采用的是鋼桁架結(jié)構(gòu)，且低于12m的位置需要采取必要的防火措施。通常可以涂刷一定的膨脹型防火涂料來保護(hù)，具體保護(hù)層的厚度要達(dá)到提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火等級高于1.5h，可以采用試驗的方式來最終確定涂料的涂刷厚度。

總之，限制鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要原因在于耐火性能較差。因此相關(guān)設(shè)計人員，需要高度重視鋼結(jié)構(gòu)的防火性能設(shè)計，確保提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建的防火性能，提升鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的安全性，最終推動鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的進(jìn)一步應(yīng)用。

[1]閆紅偉.芻議性能設(shè)計方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施,2015,(04):32-33.

[2]王莉.某大空間建筑鋼結(jié)構(gòu)性能化消防設(shè)計分析[J].安防科技,2010,(05):53-57.