2018一级消防工程师《技术实务》章节辅导：第五篇第四章第五节_第2页

　　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》GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045均提出可采用ISO834标准升温曲线作为一般建筑室内火灾的火灾模型。《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提出可采用参数化模型作为一般室内火灾的火灾模型，同时也提出了大空间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，为了更加准确的确定火灾温度场，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到的材料热工性能有3项，即导热系数、质量热容和质量密度，其他的参数可以由这3项推导出。

　　1.钢材

　　《钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提供的高温下钢材的有关热工参数见表5-4-11。

　　表5-4-11 高温下钢材的物理参数

参数名称	符号	数值	单位
热传导系数	#FormatImgID_3#	45	W/(m·℃)
比热容	#FormatImgID_4#	600	J/(kg·℃)
密度	#FormatImgID_5#	7850	kg/m³

　　2.混凝土

　　《钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提供的高温下普通混凝土的有关热工参数可按下述规定取值。

　　(二)材料的高温性能

　　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.钢材

　　高温下钢材的热膨胀系数可取1.4×10-5m/℃。

　　(三)火灾极限状态下荷载效应组合

　　《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)规定，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

　　(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》GB50016、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045及其他国家标准的要求一致。

　　2.构件抗火极限状态设计要求

　　《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)提出了基于计算的构件抗火计算方法。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。根据《建筑钢结构防火技术规范》(国标报批稿)，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Rd不应小于各种作用所产生的组合效应Sm，

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

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

　　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，其验算步骤为：

　　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，其验算步骤为：

　　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时(过小或过大)，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。

　　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为：

　　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，其验算步骤为：

　　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时(过小或过大)，调整防火被覆厚度，重复上述①～④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。

　　2018年报班：2018年一级消防工程师考试难度大不大?如何备考才能顺利通关，考试网校老师临考冲刺指导，直击重要考点>>