芻議鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計(jì)

文/劉現(xiàn)鵬 聊城市恒信規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)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(jì)

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

文章結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用臨界溫度法對(duì)建筑鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，期望對(duì)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(jì)；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(jì)，鋼桁架結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)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(jì)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(jì)

采用基于臨界溫度法的時(shí)候，設(shè)計(jì)鋼桁架結(jié)構(gòu)的防火需遵循如下步驟：對(duì)于鋼桁架的臨界溫度進(jìn)行確定→依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況，通過相應(yīng)的公式來(lái)合理計(jì)算最高溫度→比對(duì)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(duì)臨界溫度進(jìn)行確定。其一是采用施工經(jīng)驗(yàn)、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(jì)算的方式來(lái)求得結(jié)果。

（一）結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)或者通過查閱文獻(xiàn)資料的方式來(lái)對(duì)臨界溫度進(jìn)行有效確定

據(jù)針對(duì)鋼材進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)后，可以得到如下結(jié)論：當(dāng)鋼材面臨著低于200℃的溫度時(shí)，其強(qiáng)度變化幾乎和常溫狀態(tài)下無(wú)異；當(dāng)鋼材面臨著低于300℃的溫度時(shí)，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(shì)。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(diǎn)，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(jì)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(shí)候，只需要計(jì)算火災(zāi)工況下的荷載比即可對(duì)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(jì)值和常溫狀態(tài)下構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值之比來(lái)求得。一般來(lái)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(huì)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(jì)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(jì)值。

而對(duì)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(lái)確定，最終對(duì)比二者結(jié)果，最小的則可以確定為臨界溫度。R’按式（2）計(jì)算。

公式中：N為火災(zāi)時(shí)構(gòu)件的軸向壓力設(shè)計(jì)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(shí)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(kù)、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(huì)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(hào)大型會(huì)議室等。該建筑主要運(yùn)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(jí)為1級(jí)。

（二）鋼桁架抗火分析

我們選用臨界溫度法來(lái)進(jìn)行鋼桁架結(jié)構(gòu)的防火分析，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，確定臨界溫度為300℃，設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景后運(yùn)用堆成羽流法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行計(jì)算。如果結(jié)構(gòu)的溫度低于300℃，則無(wú)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(hào)會(huì)議廳設(shè)置一個(gè)火源點(diǎn)，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(shì)，根據(jù)相關(guān)計(jì)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(duì)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(duì)煙羽流溫度進(jìn)行計(jì)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(jì)算結(jié)果如下表所示：

表1　羽流溫度計(jì)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(shí)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(huì)超過300℃。這時(shí)就必須選取一定的防火措施。相對(duì)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(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響比較小。所以對(duì)于該房屋建筑而言，對(duì)于整個(gè)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?？梢酝克⒁欢ǖ呐蛎浶头阑鹜苛蟻?lái)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(jí)高于1.5h，可以采用試驗(yàn)的方式來(lái)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(jì)人員，需要高度重視鋼結(jié)構(gòu)的防火性能設(shè)計(jì)，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(dòng)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(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)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(jì)分析[J].安防科技,2010,(05):53-57.