四、建筑結構耐火性能分析的內容和步驟

　　建筑結構耐火性能分析包括溫度場分析和高溫下結構的安全性分析。建筑火災模型和建筑材料的熱工參數(shù)是進行結構溫度場分析的基礎資料。同樣，高溫下建筑材料的力學性能是建筑結構高溫下安全性分析的基礎資料。同時，進行建筑結構高溫下安全性分析還需要確定火災時的荷載。確定上述基本材料之后，就可按照一定的步驟進行高溫下結構的抗火驗算了。

　　(一)結構溫度場分析

　　確定建筑火災溫度場需要火災模型。我國《建筑設計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045均提出可采用ISO834標準升溫曲線作為一般建筑室內火災的火災模型。《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提出可采用參數(shù)化模型作為一般室內火災的火災模型，同時也提出了大空間室內火災的火災模型。由于建筑室內可燃物數(shù)量和分布、建筑空間大小及通風形式等因素對建筑火災有較大影響，為了更加準確的確定火災溫度場，也可采用火災模擬軟件對建筑火災進行數(shù)值模擬。

　　確定火災模型之后，即可對建筑結構及構件進行傳熱分析，確定火災作用下建筑結構及構件的溫度。進行傳熱分析，需要已知建筑材料的熱工性能。國內外對鋼材、鋼筋和混凝土材料的高溫熱工性能、力學性能進行了大量的研究。在進行構件溫度場分布的分析時涉及到的材料熱工性能有3項，即導熱系數(shù)、質量熱容和質量密度，其他的參數(shù)可以由這3項推導出。

　　1.鋼材

　　《鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提供的高溫下鋼材的有關熱工參數(shù)見表5-4-11。

　　表5-4-11 高溫下鋼材的物理參數(shù)

參數(shù)名稱	符號	數(shù)值	單位
熱傳導系數(shù)	#FormatImgID_3#	45	W/(m·℃)
比熱容	#FormatImgID_4#	600	J/(kg·℃)
密度	#FormatImgID_5#	7850	kg/m³

　　2.混凝土

　　《鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提供的高溫下普通混凝土的有關熱工參數(shù)可按下述規(guī)定取值。

　　(二)材料的高溫性能

　　1.混凝土

#FormatImgID_26#（℃）	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
#FormatImgID_27#	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
#FormatImgID_28#（×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.鋼材

　　高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù)可取1.4×10-5m/℃。

　　(三)火災極限狀態(tài)下荷載效應組合

　　《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)規(guī)定，火災作用工況是一種偶然荷載工況，可按偶然設計狀況的作用效應組合

　　(四)結構構件抗火驗算基本規(guī)定

　　1.耐火極限要求

　　構件的耐火極限要求與《建筑設計防火規(guī)范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》GB50045及其他國家標準的要求一致。

　　2.構件抗火極限狀態(tài)設計要求

　　《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)提出了基于計算的構件抗火計算方法�；馂陌l(fā)生的概率很小，是一種耦合荷載工況。因此，火災下結構的驗算標準可放寬。根據(jù)《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》(國標報批稿)，火災下只進行整體結構或構件的承載能力極限狀態(tài)的驗算，不需要正常使用極限狀態(tài)的驗算。構件的承載能力極限狀態(tài)包括以下幾種情況：

　�、佥S心受力構件截面屈服;

　�、谑軓潣嫾�產生足夠的塑性鉸而成為可變機構;

　�、蹣嫾�整體喪失穩(wěn)定;

　�、軜嫾�達到不適于繼續(xù)承載的變形。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

　　基于承載能力極限狀態(tài)的要求，鋼構件抗火設計應滿足下列要求之一：

　�、僭谝�(guī)定的結構耐火極限時間內，結構或構件的承載力Rd不應小于各種作用所產生的組合效應Sm，

　�、谠诟鞣N荷載效應組合下，結構或構件的耐火時間td不應小于規(guī)定的結構或構件的耐火極限tm，

　�、劢Y構或構件的臨界溫度Td不應低于在耐火極限時間內結構或構件的最高溫度Tm，

　　對鋼結構來說，上述三條標準是等效的。由于鋼構件溫度分布較為均勻，因此，鋼結構構件驗算時采用上述第③條的最高溫度標準，混凝土構件可采用前面兩條標準。

　　3.構件抗火驗算步驟

　　采用承載力法進行單層和多高層建筑鋼結構各構件抗火驗算時，其驗算步驟為：

　�、僭O定防火被覆厚度。

　�、谟嬎銟嫾�在要求的耐火極限下的內部溫度。

　　③計算結構構件在外荷載作用下的內力。

　�、苓M行荷載效應組合。

　�、莞鶕�(jù)構件和受載的類型，進行構件抗火承載力極限狀態(tài)驗算。

　　⑥當設定的防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，可調整防火被覆厚度，重復上述①～⑤步驟。

　　采用承載力法進行單層和多高層混凝土結構各構件抗火驗算時，其驗算步驟為：

　�、儆嬎銟嫾�在要求的耐火極限下的內部溫度。

　�、谟嬎憬Y構構件在外荷載作用下的內力。

　�、圻M行荷載效應組合。

　�、芨鶕�(jù)構件和受載的類型，進行構件抗火承載力極限狀態(tài)驗算。

　�、莓斣O定的截面大小及保護層厚度不合適時(過小或過大)，可調整截面大小及保護層厚度，重復上述①～④步驟。

　　4.鋼結構構件抗火驗算

　　這里只介紹基于高溫下承載能力驗算的方法，火災下鋼構件的驗算還有極限溫度計算方法，讀者可參考其他資料。

　　5.鋼筋混凝土構件抗火驗算

　　目前，尚沒有國家標準提出鋼筋混凝土構件的抗火驗算方法，鋼筋混凝土構件的抗火驗算一般依據(jù)通用的非線性有限元方法進行計算。

　　6.整體結構抗火驗算

　　(1)整體結構抗火極限狀態(tài)整體結構的承載能力極限狀態(tài)為：

　　①結構產生足夠的塑性鉸形成可變機構;

　�、诮Y構整體喪失穩(wěn)定。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

　　(2)整體結構抗火驗算原理。上節(jié)給出的規(guī)范抗火設計方法是基于計算的抗火設計方法，要求結構的設計內力組合小于結構或構件的抗力。火災高溫作用下，結構的材料力學性質發(fā)生較大變化�；�于防火設計性能化的要求，對于一些復雜、重要性高的建筑結構，需要考慮高溫下材料本構關系的變化、結構的內力重分布、整體結構的倒塌破壞過程，這就需要對火災下建筑結構的行為進行準確確定。對火災下建筑結構的內力重分布、結構極限狀態(tài)及耐火極限的確定，需要采用基于性能的結構耐火性能計算方法。整體結構耐火性能計算方法需要采用非線性有限元方法完成。

　　整體結構耐火性能計算的一般步驟為：

　�、俅_定材料熱工性能及高溫下材料的本構關系和熱膨脹系數(shù);

　　②確定火災升溫曲線及火災場景;

　�、劢�立建筑結構傳熱分析和結構分析有限元模型;

　　④進行結構傳熱分析;

　�、輰�按照火災極限狀態(tài)的組合荷載施加到結構分析有限元模型，進行結構力學性能非線性分析;

　�、薮_定建筑結構整體的火災安全性;

　�、甙凑丈瞎�(jié)要求進行構件的驗算。

　　(3)鋼結構及鋼筋混凝土結構整體結構抗火驗算的具體步驟。

　　對單層和多高層建筑鋼結構整體抗火驗算時，其驗算步驟為：

　�、僭O定結構所有構件一定的防火被覆厚度;

　　②確定一定的火災場景;

　�、圻M行火災溫度場分析及結構構件內部溫度分析;

　�、芎奢d作用下，分析結構整體和構件是否滿足結構耐火極限狀態(tài)的要求;

　�、莓斣O定的結構防火被覆厚度不合適時(過小或過大)，調整防火被覆厚度，重復上述①～④步驟。

　　對單層和多高層鋼筋混凝土結構整體抗火驗算時，可采用如下步驟：

　　①確定一定的火災場景;

　�、谶M行火災溫度場分析及結構構件內部溫度分析;

　�、酆奢d作用下，分析結構整體和構件是否滿足結構耐火極限狀態(tài)的要求;

　　④當整體結構和構件承載力不滿足要求時，調整截面大小及其配筋，重復上述①～③步驟。

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