建筑结构耐火性能分析的内容和步骤

四、建筑结构耐火性能分析的内容和步骤

建筑结构耐火性能分析包括温度场分析和高温下结构的安全性分析。建筑火灾模型和建筑材料的热工参数是进行结构温度场分析的基础资料。同样，高温下建筑材料的力学性能是建筑结构高温下安全性分析的基础资料。同时，进行建筑结构高温下安全性分析还需要确定火灾时的荷载。确定上述基本材料之后，就可按照一定的步骤进行高温下结构的抗火验算了。

（一）结构温度场分析

确定建筑火灾温度场需要火灾模型。我国《建筑设计防火规范》（GB 50016—2006）提出，可采用ISO834标准升温曲线作为一般建筑室内火灾的火灾模型。由于建筑室内可燃物数量和分布、建筑空间大小及通风形式等因素对建筑火灾有较大影响，为了更加准确地确定火灾温度场，也可采用火灾模拟软件对建筑火灾进行数值模拟。

确定火灾模型之后，即可对建筑结构及构件进行传热分析，确定火灾作用下建筑结构及构件的温度。进行传热分析，需要已知建筑材料的热工性能。国内外对钢材、钢筋和混凝土材料的高温热工性能、力学性能进行了大量的研究。在进行构件温度场分布的分析时，涉及的材料热工性能有三项，即热导率、质量热容和密度，其他的参数可以由这三项推导出。

1.钢材

高温下钢材的有关热工参数见表5-4-11。

表5-4-11 高温下钢材的热工参数

2.混凝土

高温下普通混凝土的有关热工参数可按下述规定取值。

热导率可按下式取值，即

质量热容应按下式取值，即

式中 T_c——混凝土的温度（℃）；

c_c——混凝土的质量热容[J/（kg·℃）]。

混凝土的密度为

ρ_c=2300kg/m3

（二）材料的高温性能

1.混凝土

高温下普通混凝土的轴心抗压强度、弹性模量应按下式确定，即

式中 f_cT——温度为T_c时混凝土的轴心抗压强度设计值（N/mm²）；

f_c——常温下混凝土的轴心抗压强度设计值（N/mm²），应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）取值；

η_cT——高温下混凝土的轴心抗压强度折减系数，应按表5-4-12取值，其他温度下的值，可采用线性插值方法确定；

E_cT——高温下混凝土的弹性模量（N/mm²）；

ε_c0，T——高温下混凝土应力为f_cT时的应变，按表5-4-12取值，其他温度下的值，可采用线性插值方法确定。

表5-4-12 高温下普通混凝土的轴心抗压强度折减系数η_cT及应力为f_cT时的应变ε_c0，T

2.钢材

在高温下，普通钢材的弹性模量应按下式计算，即

式中 T_s——温度（℃）；

E_sT——温度为T_s时钢材的初始弹性模量（N/mm²）；

E_s——常温下钢材的弹性模量（N/mm²），按现行《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）确定；

χ_sT——高温下钢材的弹性模量折减系数。

高温下钢材的热膨胀系数可取1.4×10^-5℃。

在高温下，普通钢材的屈服强度应按下式计算，即

式中 T_s——钢材的温度（℃）；

f_yT——高温下钢材的屈服强度（N/mm²）；

f_y——常温下钢材的屈服强度（N/mm²）；

f——常温下钢材的强度设计值（N/mm²），应按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）取值；

γ_R——钢材的分项系数，取γ_R=1.1；

η_sT——高温下钢材的屈服强度折减系数。

（三）火灾极限状态下荷载效应组合

火灾作用工况是一种偶然荷载工况，可按偶然设计状况的作用效应组合，采用下列较不利的设计表达式，即

S_m=γ_0T（γ_GS_GK+γ_TS_TK+γ_Qϕ_fS_QK） （5-4-48）

S_m=γ_0T（γ_GS_GK+γ_TS_TK+γ_Qϕ_qS_QK+γ_WS_WK） （5-4-49）

式中 S_m——荷载（作用）效应组合的设计值；

S_GK——按永久荷载标准值计算的荷载效应值；

S_TK——按火灾下结构的温度标准值计算的作用效应值；

S_QK——按楼面或屋面活荷载标准值计算的荷载效应值；

S_WK——按风荷载标准值计算的荷载效应值；

γ_0T——结构重要性系数，对于耐火等级为一级的建筑，γ_0T=1.15，对于其他建筑，γ_0T=1.05；

γ_G——永久荷载的分项系数，一般可取γ_G=1.0，当永久荷载有利时，取γ_G=0.9；

γ_T——温度作用的分项系数，取γ_T=1.0；

γ_Q——楼面或屋面活荷载的分项系数，取γ_Q=1.0；

γ_W——风荷载的分项系数，取γ_W=0.4；

ϕ_f——楼面或屋面活荷载的频遇值系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的规定取值；

ϕ_q——楼面或屋面活荷载的准永久值系数，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的规定取值。

（四）结构构件抗火验算基本规定

1.耐火极限要求

构件的耐火极限要求与《建筑设计防火规范》（GB 50016—2006）及其他国家标准一致。

2.构件抗火极限状态设计要求

火灾发生的概率很小，是一种耦合荷载工况。因此，火灾下结构的验算标准可放宽。火灾下只进行整体结构或构件的承载能力极限状态的验算，不需要正常使用极限状态的验算。构件的承载能力极限状态包括以下几种情况：

1）轴心受力构件截面屈服。

2）受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构。

3）构件整体丧失稳定。

4）构件达到不适于继续承载的变形。

对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力；对于重要的建筑结构，还要进行整体结构的承载能力验算。

基于承载能力极限状态的要求，钢构件抗火设计应满足下列要求之一：

1）在规定的结构耐火极限时间内，结构或构件的承载力R_d不应小于各种作用所产生的组合效应S_m，即

R_d≥S_m （5-4-50）

2）在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间t_d不应小于规定的结构或构件的耐火极限t_m，即

t_d≥t_m （5-4-51）

3）结构或构件的临界温度T_d不应低于在耐火极限时间内结构或构件的最高温度T_m，即

T_d≥T_m （5-4-52）

对钢结构来说，上述三条标准是等效的。由于钢构件温度分布较为均匀，因此，钢结构构件验算时采用上述第3）条的最高温度标准，混凝土构件可采用前面两条标准。

3.构件抗火验算步骤

采用承载力法进行单层和多高层建筑钢结构各构件抗火验算时，其验算步骤如下：

1）设定防火被覆厚度。

2）计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。

3）计算结构构件在外荷载作用下的内力。

4）进行荷载效应组合。

5）根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。

6）当设定的防火被覆厚度不合适时（过小或过大），可调整防火被覆厚度，重复上述1）～5）步骤。

采用承载力法进行单层和多高层混凝土结构各构件抗火验算时，其验算步骤如下：

1）计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。

2）计算结构构件在外荷载作用下的内力。

3）进行荷载效应组合。

4）根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。

5）当设定的截面大小及保护层厚度不合适（过小或过大）时，可调整截面大小及保护层厚度，重复上述1）～4）步骤。

4.钢结构构件抗火验算

这里只介绍基于高温下承载能力验算的方法，火灾下钢构件的验算还有极限温度计算方法，读者可参考其他资料。

高温下，轴心受拉钢构件或轴心受压钢构件的强度应按下式验算，即

式中 N——火灾下构件的轴向拉力或轴向压力设计值；

A_n——构件的净截面面积；

η_T——高温下钢材的强度折减系数；

γ_R——钢构件的抗力分项系数，近似取γ_R=1.1；

f——常温下钢材的强度设计值。

高温下，轴心受压钢构件的稳定性应按下式验算，即

式中 N——火灾时构件的轴向压力设计值；

A——构件的毛截面面积；

φ_T——高温下钢材的强度折减系数；

α_c——高温下轴心受压钢构件的稳定验算参数，对于普通结构钢构件，根据构件长细比和构件温度按规范表格采用；

φ——常温下轴心受压钢构件的稳定系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）确定。

高温下，单轴受弯钢构件的强度应按下式验算，即

式中 M——火灾时最不利截面处的弯矩设计值；

W_n——最不利截面的净截面系数；

γ——截面塑性发展系数，对于工字形截面，γ_x=1.05，γ_y=1.2，对于箱形截面，γ_x=γ_y=1.05，对于圆钢管截面，γ_x=γ_y=1.15。

高温下，单轴受弯钢构件的稳定性应按下式验算，即

式中 M——火灾时构件的最大弯矩设计值；

W——纤维确定的构件毛截面系数；

φ′_bT——高温下受弯钢构件的稳定系数；

φ_b——常温下受弯钢构件的稳定系数（基于弹性阶段），按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）有关规定计算，但当所计算的φ_b＞0.6时，φ_b不作修正；

α_b——高温下受弯钢构件的稳定验算参数。

高温下，拉弯或压弯钢构件的强度，应按下式验算，即

式中 N——火灾时构件的轴力设计值；

M_x、M_y——火灾时最不利截面处的弯矩设计值，分别对应于强轴x轴和弱轴y轴；

A_n——构件的净截面面积；

W_nx、W_ny——对强轴x轴和弱轴y轴的净截面系数；

γ_x、γ_y——绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的截面塑性发展系数，对于工字形截面，γ_x=1.05，γ_y=1.2，对于箱形截面，γ_x=γ_y=1.05，对于圆钢管截面，γ_x=γ_y=1.15。

高温下，压弯钢构件的稳定性应按下式验算，即

1）绕强轴x轴弯曲：

2）绕弱轴y轴弯曲：

式中 N——火灾时构件的轴向压力设计值；

M_x、M_y——火灾时所计算构件段范围内对强轴和弱轴的最大弯矩设计值；

A——构件的毛截面面积；

W_x、W_y——对强轴和弱轴的毛截面系数；

N′_ExT、N′_EyT——高温下绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的参数；

λ_x、λ_y——对强轴和弱轴的长细比；

φ_xT、φ_yT——高温下轴心受压钢构件的稳定系数，分别对应于强轴失稳和弱轴失稳；

φ′_bxT、φ′_byT——高温下均匀弯曲受弯钢构件的稳定系数，分别对应于强轴失稳和弱轴失稳；

γ_x、γ_y——绕强轴弯曲和绕弱轴弯曲的截面塑性发展系数，对于工字形截面，γ_x=1.05，γ_y=1.2，对于箱形截面，γ_x=γ_y=1.05，对于圆钢管截面，γ_x=γ_y=1.15；

η——截面影响系数，对于闭口截面，η=0.7，对于其他截面，η=1.0；

β_mx、β_my——弯矩作用平面内的等效弯矩系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）确定；

β_tx、β_ty——弯矩作用平面外的等效弯矩系数，按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）确定。

5.钢筋混凝土构件抗火验算

目前，尚没有国家标准提出钢筋混凝土构件的抗火验算方法，钢筋混凝土构件的抗火验算一般依据通用的非线性有限元方法进行计算。

6.整体结构抗火验算

（1）整体结构抗火极限状态。整体结构的承载能力极限状态为：

1）结构产生足够的塑性铰形成可变机构。

2）结构整体丧失稳定。对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构，还要进行整体结构的承载能力验算。

（2）整体结构抗火验算原理。上节给出的规范抗火设计方法是基于计算的抗火设计方法，要求结构的设计内力组合小于结构或构件的抗力。火灾高温作用下，结构的材料力学性质发生较大变化。基于防火设计性能化的要求，对于一些复杂、重要性高的建筑结构，需要考虑高温下材料本构关系的变化、结构的内力重分布、整体结构的倒塌破坏过程，这就需要对火灾下建筑结构的行为进行准确确定。对火灾下建筑结构的内力重分布、结构极限状态及耐火极限的确定，需要采用基于性能的结构耐火性能计算方法。整体结构耐火性能计算方法需要采用非线性有限元方法完成。

整体结构耐火性能计算的一般步骤如下：

1）确定材料热工性能及高温下材料的本构关系和热膨胀系数。

2）确定火灾升温曲线及火灾场景。

3）建立建筑结构传热分析和结构分析有限元模型。

4）进行结构传热分析。

5）将按照火灾极限状态的组合荷载施加到结构分析有限元模型，进行结构力学性能非线性分析。

6）确定建筑结构整体的火灾安全性。

7）按照上节要求进行构件的验算。

（3）钢结构及钢筋混凝土结构整体结构抗火验算的具体步骤。对单层和多高层建筑钢结构整体抗火验算时，其验算步骤如下：

1）设定结构所有构件一定的防火被覆厚度。

2）确定一定的火灾场景。

3）进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析。

4）荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求。

5）当设定的结构防火被覆厚度不合适（过小或过大）时，调整防火被覆厚度，重复上述1）～2）步骤。

对单层和多高层钢筋混凝土结构整体抗火验算时，可采用如下步骤：

1）确定一定的火灾场景。

2）进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析。

3）荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求。

4）当整体结构和构件承载力不满足要求时，调整截面大小及其配筋，重复上述1）～3）步骤。