鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火設(shè)計研究

劉　丹

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用也越來越廣泛。但是鋼結(jié)構(gòu)抗火性能差，由于問題的復(fù)雜，目前對鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計仍沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，尤其我國起步較晚，鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計還存在著許多問題，本文針對抗火設(shè)計方法進(jìn)行研究分析，提出合理的解決方法。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；抗火；設(shè)計

1 基于試驗的抗火設(shè)計方法

現(xiàn)行《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，梁和柱的防火保護(hù)厚度宜直接采用實際構(gòu)件的耐火實驗數(shù)據(jù)；當(dāng)構(gòu)件的截面形狀和尺寸與試驗標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件不同時，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定推算出保護(hù)層厚度。因此結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計即是對比構(gòu)件的保護(hù)層厚度是否滿足由試驗確定或推算得來的厚度。這種基于試驗的抗火設(shè)計方法存在以下缺陷：實驗中的標(biāo)準(zhǔn)溫度升曲線與火災(zāi)情況不同；構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的受力也很難通過實驗?zāi)M，實際構(gòu)件受力各不同，實驗難以概全；未能考慮溫度應(yīng)力及變形影響，未能考慮高溫下結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響；未能考慮各構(gòu)件相互作用的影響，即結(jié)構(gòu)某一構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)并不意味著整體結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。

因此，這種方法過于簡單，缺乏一定的科學(xué)性。此外由試驗確定的耐火時間不能完全代表實際構(gòu)件在真實結(jié)構(gòu)中的耐火時間，從而造成不安全或偏于保守的后果。

2 基于構(gòu)件計算的抗火設(shè)計方法

這種方法以高溫下構(gòu)件的承載力狀態(tài)為耐火極限進(jìn)行判斷,考慮溫度內(nèi)力的影響。理論研究以有限元法為主,基本上能考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)的影響。目前該法已廣泛用于歐洲的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中。其設(shè)計方法如下：采用確定的防火措施，設(shè)定一定的防火空間被覆厚度；計算構(gòu)件在確定的防火措施和耐火極限條件下的的內(nèi)部溫度；采用高溫下鋼材料參數(shù)，計算結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件在外荷載和溫度作用下的內(nèi)力；進(jìn)行荷載效應(yīng)組合；根據(jù)構(gòu)件和受載類型，進(jìn)行構(gòu)件耐火承載極限狀態(tài)驗算；當(dāng)設(shè)定的防火被覆厚度不合適時，可調(diào)整防火被覆厚度，重復(fù)上述步驟。

這種方法克服了基于試驗設(shè)計方法的一些缺陷，但是還存在明顯的不足之處：結(jié)構(gòu)是作為整體承受荷載，鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計也是以"整體不倒塌"為最終目的，因此火災(zāi)下單個構(gòu)件的破壞并不一定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞；沒有考慮火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng)特性，有些構(gòu)件即使不作防火保護(hù)，整體結(jié)構(gòu)也可以滿足耐火極限的要求。

3 基于結(jié)構(gòu)性能的抗火設(shè)計方法

既然結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)，因此基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行抗火設(shè)計將更為合理，由于問題的復(fù)雜性，從基于構(gòu)件到基于結(jié)構(gòu)不可能一步而就，目前還沒有形成基于結(jié)構(gòu)性能抗火設(shè)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的整體反應(yīng)分析還是熱門課題。本文結(jié)合國外一些實驗和研究成果從以下幾個方面進(jìn)行探討。

3.1 火災(zāi)中結(jié)構(gòu)的整體作用分析

一般認(rèn)為，保證結(jié)構(gòu)整體不塌，柱居于最重要的地位?；跇?gòu)件設(shè)計單柱時，桿件中部某截面邊緣首先屈服，繼續(xù)變形形成塑性鉸，其是將桿件中部截面邊緣屈服時平均應(yīng)力狀態(tài)作為桿件的極限承載力狀態(tài)，而且還是以截面的溫度分布都是均勻理想狀態(tài)為前提的，后來，英國努力考慮結(jié)構(gòu)性能抗火設(shè)計時，默認(rèn)柱在火災(zāi)中不會失穩(wěn)，只對梁板進(jìn)行抗火設(shè)計，因此對柱必須做防火保護(hù)。事實上，梁柱在火災(zāi)中的整體作用很強(qiáng)。柱的失穩(wěn)除取決于自身的軸向力外，梁的熱膨脹效應(yīng)作用很大，一方面使柱在強(qiáng)弱軸方向均形成較大的彎矩，故柱頂或柱腳產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，容易形成塑性鉸，另一方面梁膨脹將加劇P~δ效應(yīng)，加速柱的失穩(wěn)。

梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度.實驗表明，火災(zāi)下梁柱節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度對柱的性能影響很小，常溫下，梁通過剛性節(jié)點為柱提供一些抵抗彎矩的能力，但在高溫下，梁的剛度、強(qiáng)度銳減，當(dāng)柱欲失穩(wěn)破壞時，并不能有效的發(fā)揮作用。故在整體抗火設(shè)計中，可以不考慮梁柱節(jié)點剛度的影響。

梁局部屈曲.火災(zāi)時，梁的熱膨脹若受到一定的限制，可能會在梁端部發(fā)生局部屈曲，而局部屈曲又可以部分緩和柱的側(cè)向位移。實驗表明，梁的溫度超過500Ｖ℃會發(fā)生局部屈曲。

梁截面、跨度及柱截面的影響.梁的跨度與結(jié)構(gòu)整體性能有關(guān)，隨著跨度增加，結(jié)構(gòu)的極限溫度會降低，因此必須增強(qiáng)柱的防火保護(hù)才能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能不變。

梁截面的增加間接的加大了梁柱的溫升比率，當(dāng)比率達(dá)到一定值時，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。柱的長細(xì)比對其在火災(zāi)下的最不利位置影響不大，故柱的截面大小對結(jié)構(gòu)的整體性能影響不大。

很顯然，樓蓋板，剪力墻，支撐等抗側(cè)體系對結(jié)構(gòu)的抗火性能都會產(chǎn)生很大的作用。由于這種整體實驗代價太大，國外研究也還很少，力圖在有限的實驗中通過理論計算還是可能的。

3.2 塑性理論在抗火設(shè)計中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)延性好，常溫下可以采用塑性設(shè)計方法，同樣這種方法可用于結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計。

火災(zāi)發(fā)生時，結(jié)構(gòu)逐漸升溫，鋼材屈服溫度隨之有所降低，某些高應(yīng)力部位首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，產(chǎn)生塑性鉸。由于結(jié)構(gòu)多為超靜定結(jié)構(gòu)，此時內(nèi)力進(jìn)行重分布，結(jié)構(gòu)仍有一定的承載力。隨著塑性鉸數(shù)目增多，結(jié)構(gòu)最終形成機(jī)構(gòu)，達(dá)到耐火極限狀態(tài)。

基于這種塑性理論，國外研究了多種抗火設(shè)計方法，其中較為著名的有彈塑性法和上限法兩種法。彈塑性法中須重點解決兩大難題：溫度和靜載的相互作用，其中溫度是不斷變化；材料性質(zhì)隨著溫度變化而變化的規(guī)律。上限法則不關(guān)心過程中結(jié)構(gòu)的變形和側(cè)移，只關(guān)注極限狀態(tài)下的荷載值。這種方法同常溫下的上限法一樣，也是基于虛功方程求解，只是在虛功方程中引入荷載因子，該荷載因子也溫度有關(guān)。這種方法可分析簡單結(jié)構(gòu)，如對門式剛架很有效。

基于塑性理論的任意一種抗火設(shè)計方法，都得考慮材料在高溫下的非線性行為，結(jié)構(gòu)由于P~δ效應(yīng)和梁熱膨脹引起的幾何非線性，因此理論分析是一件很復(fù)雜的工作，要得到解析一般是不可能的，必須借助數(shù)值工具。

3.3 計算機(jī)模擬和有限元法

火災(zāi)發(fā)生過程中通過熱輻射，熱傳導(dǎo)及熱對流等方式形成復(fù)雜的溫度場，使結(jié)構(gòu)受熱膨脹；同時較大的溫度差會產(chǎn)生熱沖擊波，對結(jié)構(gòu)形成內(nèi)壓。溫度場的非定常性導(dǎo)致理論分析難以精確考慮，而足尺實驗費用昂貴，因此計算機(jī)模擬研究成為熱點，前景很好。

如上所述，結(jié)構(gòu)在高溫下的行為異常復(fù)雜。過去20年，國外學(xué)者試探了許多方法以分析火災(zāi)中結(jié)構(gòu)的整體行為，而以有限元法最為普遍和有效。因為在有限元法中，各種影響因素，如材料非線性，幾何非線性，不均勻分布，熱應(yīng)變，梁柱的彈性節(jié)點等等，都可以比較方便的考慮進(jìn)去。

基于試驗的設(shè)計方法已成為傳統(tǒng)，目前許多國家正結(jié)合試驗采用基于構(gòu)件計算的抗火設(shè)計方法，但歐洲特別是英國對結(jié)構(gòu)抗火性能研究較多并已逐步運用于抗火設(shè)計，畢竟這種方法還沒有形成規(guī)范，結(jié)構(gòu)整體抗火性能仍是熱門研究課題，因此基于結(jié)構(gòu)性能的抗火設(shè)計方法將是今后一段時間的發(fā)展方向。當(dāng)然現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計以概率可靠度為目標(biāo)，火災(zāi)的發(fā)生具有隨機(jī)性，火災(zāi)發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，因此考慮火災(zāi)隨機(jī)性的抗火設(shè)計方法也尚待研究。