大跨度建筑钢结构性能化抗火设计的方法研究

朱 思 佳

(重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

大跨度建筑钢结构性能化抗火设计的方法研究

朱 思 佳

(重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

介绍了大跨度建筑的火灾特点，结合大跨度钢结构自身的特点，分析了火灾中钢结构的稳定性承载力及临界温度和耐火极限，提出应当采用各种技术手段，对大跨度建筑钢结构进行科学的性能化抗火设计，以保障大跨度钢结构建筑的防火安全。

大跨度建筑，钢结构，抗火设计

随着社会的发展，我国城市化建设的速度不断加快，建筑行业得到了长足的进步。大跨度建筑以其多方面的优势，逐渐得到了越来越广泛的应用，例如大型商场、机场车站、世博展馆、奥运场馆等。钢结构具有污染少、投资回报快、抗震性能好、施工周期短、安装容易、自重轻等优势，已经成为当前建筑领域最为主要的建筑结构形式之一。但是，钢结构的耐火性能十分有限，在火灾来临的时候，其刚度和强度下降很快。同时，大跨度建筑钢结构面积较大、空间广阔，容易促使火灾的扩大化，因而具有很大的火灾风险。

1 大跨度建筑火灾特点

如果建筑物发生火灾，通常可以利用防火防烟分区对火势进行控制。但是在大跨度建筑当中，防火隔烟措施无法有效的利用，因此火势很容易蔓延。在普通建筑中，对烟气浓度或温度可以利用火灾探测器进行探测。但是大跨度建筑由于空间广阔，在空气稀释作用下，烟气浓度或火灾温度受到降低，无法及时启动火灾探测器。同时，在普通建筑中，在棚顶安装洒水喷头能够有效的控制火势。但是，在大跨度建筑当中，由于受到与火灾探测器相同的条件限制，这种洒水喷头也无法发挥出良好的效果。

在实际应用中，大跨度建筑通常都是人员较为密集的场所。一旦火灾来临，无法在较短的时间内对人员进行有效的疏散，容易造成人员被困火场的危险局面，给消防工作带来了极大的麻烦。由于大跨度建筑的钢结构就是建筑物的骨骼，一旦发生火灾，在大火和高温的影响下，钢结构将会变得十分脆弱，承载力将会严重下降，这样，将很有可能导致建筑物顶棚坍塌，或者是主体结构倒塌，将会对火场中被困的人员和财产造成极大的危害[1]。相比于普通的建筑物火灾，大跨度建筑发生火灾最大的特点在于，建筑物内部的空间过大，因此在大跨度建筑中，通常不会出现普通建筑火灾中设备可燃物同时燃烧的情况。火灾会在一定的区域内相对集中，空气温度的上升也不会像普通建筑火灾那样迅速。

2 火灾中钢结构稳定性承载力

2.1 有限元的基本原理

有限元法在连续体力学领域当中，是一种十分有效的数值分析方法，最初用于分析飞机结构。随着科技的不断发展和应用，在工程建筑领域当中，有限元法逐渐替代了传统的模型试验法，同时也取代了很多模型试验工作的内容。在工程结构当中，需要对几何与材料的双重非线性进行考虑。其中，几何非线性问题通常用于钢结构的大挠度、大位移，而材料非线性通常是研究非线性弹性和非线性弹塑性等问题。在实际应用当中，还需要对结构非线性平衡方程进行计算，主要采用的则是增量迭代计算法。

2.2 火灾中钢结构非线性分析

在火灾影响下，钢结构可能会发生局部失稳和整体失稳两种失稳情况。局部失稳主要是局部的结构刚度消失或软化，使得位移与荷载之间的关系会从平衡位置偏离，局部出现较大的几何变位。整体失稳是整体结构出现软化屈曲和变形，产生较大的位移，同时偏离平衡位置。对于钢结构的非线性方面，主要包括几何非线性和材料非线性两个方面[2]。相比于跨度来说，钢结构的厚度很小，因此常温下钢结构几何非线性十分重要。在火灾的作用下，钢结构的双重非线性将会得到十分明显的体现，因此在进行非线性分析的时候，应当对几何非线性和材料非线性进行综合考虑。

2.3 高温下钢结构的性能

在火灾高温的影响下，钢结构的性能将会产生十分明显的变化。其中，与性能化抗火设计相关的性能主要是物理性能和力学性能。其中物理性能主要包括密度、比热、热传导系数、热膨胀系数等，通过这些因素对结构内的温度进行计算。而力学性能主要包括应力应变本构关系、弹性模量、屈服强度等，通过这些因素，对构件的抗火性能、高温下结构的形变和内力进行计算。其中高温下钢结构的屈服强度和温度的关系如图1所示，弹性模量与温度的关系如图2所示。

3 火灾中钢结构临界温度和耐火极限

在火灾当中，当钢构件达到抗火承载能力的极限状态时，其所承受的最大温度，就是钢构件的临界温度。而在钢结构达到抗火承载能力的极限状态时，所有构件的最大温度就是钢结构的临界温度[3]。钢构件的临界温度和钢结构的临界温度，统称为钢的临界温度。在火灾的破坏作用下，钢构件和钢结构容易受到压力而发生屈曲或拉断，进而导致钢结构主体倒塌。对火灾当中钢结构的临界温度和耐火极限进行分析，通过对钢结构构件的破坏路径进行跟踪，对钢构件的局部失效、传播扩散、整体结构破坏等过程进行分析，进而得出相应的结论。

在有限软件对火灾的模拟过程当中，主要包括常温加载和恒载升温两个阶段[4]。常温加载是施加节点静力荷载在结构中，对常温下实际结构荷载进行分析，从而取得构件的形变和内力。恒载升温是施加节点温度荷载在结构上，对火灾中的升温过程进行模拟，在不断升温的过程中，对构件和结构的破坏情况进行观察和分析。

通常来说，在大跨度建筑当中，钢结构的主要功能就是对外部荷载进行受力。在火灾当中，钢结构构件内部的温度会不断上升，钢结构的屈服强度和弹性模量将会降低，从而影响钢结构的承载能力。钢结构的承载能力不断下降，一旦其下降到与火灾中外荷载产生的组合效应相同的时候，钢结构就达到了火灾承载力的极限状态[5]。在恒载升温测试中，如果钢构件等效塑性应变大于0.2%，应判定其失效，采用单元生死技术将其杀死，之后继续测试分析，直到整体结构破坏失稳为止，就能够判断出大跨度建筑钢结构的临界温度和耐火极限。

4 结语

大跨度钢结构建筑是当前建筑领域当中十分常用的建筑形式之一，具有很多方面的优势。但是，其劣势也十分明显，尤其是其抗火性能更是十分有限。而这种建筑通常都是人员和财产较为密集的场所，因此一旦发生火灾，火势很难得到控制，将会很容易造成重大的人员伤亡和财产损失。对此，应当采用各种技术手段，对大跨度建筑钢结构防火性能相关参数进行计算，从而正确的进行性能化抗火设计，保障大跨度钢结构建筑的防火安全。

[1] 郭 胜.大跨度建筑钢结构性能化抗火设计方法[D].上海：上海交通大学,2012.

[2] 史健勇,孙 旋,刘文利,等.基于整体的大空间钢结构性能化防火设计方法研究[J].土木工程学报,2011,10(5):69-78.

[3] 李国强,李兆治.钢结构性能化抗火设计的初步设想[J].消防科学与技术,2012,10(1):46-48.

[4] 朱 杭.高层建筑钢结构性能化防火设计方法与应用[D].上海：上海交通大学,2011.

[5] 王烨华,沈祖炎,李元齐.大跨度空间结构抗火研究进展[J].空间结构,2012,10(2):3-12.

Research on fire resistant design method of long-span steel structure performance

Zhu Sijia

(CivilEngineeringCollege,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

This paper introduced the fire characteristic of large-span buildings, combining with the characteristics of large-span steel structure itself, analyzed the carrying critical temperature and fire resisting limit of steel structure stability in fire, put forward that we should take a variety of technical means, made science performance fire resistance design of large span steel structure buildings, so as to ensure the fire safety of large-span steel structure buildings.

large span building, steel structure, fire resistance design

2015-04-09

朱思佳(1993- )，男，在读本科生

1009-6825(2015)17-0028-02

TU391

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