钢结构抗火设计方法的演变

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摘要：钢结构在现代社会被普遍用于建筑设计之中。但是由于钢结构物理性能抗火性比较差，所以其抗火性设计方法的研究成为热点。本文从钢结构抗火性的意义和目的出发，对钢结构抗火设计方法的历史演变加以介绍，以期对现代研究产生借鉴作用。

关键词：钢结构；抗火性；方法演变

中图分类号：TU9文献标识码：A文章编号：

前言

钢结构因具有强度高、重量轻、韧性好、施工进度快等优点，被广泛应用于高层和超高层建筑、工业建筑、大型超市等，但是耐火性能差是钢结构的一个致命弱点。钢材虽为非燃烧材料，但实验证明其耐热而不耐火，温度为 400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到 600℃时，钢材基本丧失了强度和刚度。一旦发生火灾，就会对结构造成严重的破坏甚至造成建筑过早地整体倒塌，给人员的疏散和火灾的扑救造成极大的困难，且加大了火灾后的修复难度。

1 抗火设计方法

1.1 被动防火设计方法

由于钢结构自身的特点及我国国民经济的不断发展，钢结构在我国的应用越来越多，特别是在一些大跨结构、重型厂房结构、受动力荷载影响的结构、高层建筑结构中，钢结构更是发挥着其得天独厚的作用，国外一些发达国家钢结构的应用范围更是广泛。然而，钢结构是不耐火的。长期以来，为了解决钢结构抗火问题，主要是采用一定措施将钢结构构件表面进行防火处理。目前常用的钢结构防火保护方法为喷涂法、包敷法，也有如循环水法等一些较为复杂的方法，这些方法通常称为被动防火设计方法。它的确为钢结构提供了足够的耐火时间，但采用这种方法来处理钢结构抗火的费用是相当高的。由于目前对钢结构抗火问题还缺乏足够的研究，特别是缺乏必要的大规模试验研究，因此很多规范中的规定均是采用了相当保守的做法，使得用于钢结构防火的费用达工程总造价的30%左右，从而使得本身造价就比较昂贵的钢结构和其他结构形式相比较缺乏竞争力。所以，为了减少用于钢结构抗火方面的费用同时又不降低结构本身的耐火等级，近二十年来对该课题的不断研究导致另一种抗火设计方法，即主动抗火设计方法的出现。

1.2 主动抗火设计方法

目前国内外大多数研究工作者都是从钢结构的自身结构和材料方面来研究钢结构的抗火能力，从而形成了钢结构的另一种防火方法的产生一主动抗火设计方法。这种方法主要是通过对在高温下钢结构的整体结构分析，得出结构在高温下的受力性能，然后提出一些比较合理的防火措施。同时，人们也可以通过对钢材自身的抗火性能研究，改变材料的化学成分来提高钢材的抗火能力。耐火钢的出现正是这项研究的成果。当温度为600℃时，耐火钢的强度将降至常温下强度的2/3。可见，与一般钢材相比，耐火钢在高温下的强度损失较少。

随着人们对结构抗火认识的不断深化和对结构抗火计算与设计理论研究的不断深入，结构抗火设计方法也在不断地发展。钢结构抗火设计方法正逐步由基于试验的传统方法向基于结构计算分析的现代方法转变，即由被动防火设计方法向主动抗火设计方法转变。对于钢结构抗火设计方法的发展总体可分为以下几个阶段：

2 基于试验的构件抗火设计方法

在20世纪70年代前，钢结构的抗火设计主要采用这种方法。这种方法是以试验为设计依据，通过进行不同类型构件(主要指梁和柱)在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验，确定出在采取不同防火措施(如不同的防火涂料、不同的涂料厚度)后构件的耐火时间。进行结构抗火设计时，可根据构件的耐火时间要求，直接选取对应的防火保护措施。

这种基于试验的抗火设计方法存在以下缺陷:

2.1 试验中的标准升温曲线(IS0834曲线)与火灾现场的实际升温曲线不能完全吻合。

2.2 荷载分布与大小的影响在这种抗火方法中是难以考虑准确的。众所周知，实际结构构件所受的荷载分布与大小是千变万化的，结构各构件的实际受载状态与试验的标准受载状态很难完全一致的。通常，在荷载大小和其他条件相同的情况下，无偏心轴压柱的抗火时间比偏心受压柱的抗火时间要长;在荷载分布和其他条件相同的情况下，荷载越大，构件抗火时间越短。

2.3 未能考虑温度应力及温度变形的影响，同时也未能考虑高温下结构内力重分布的影响。

2.4 构件的端部约束状态影响也未能在该方法中考虑。构件在结构中受到相邻其它构件的约束，构件的端部约束状态不同，构件的承载力及火灾升温所产生的构件温度内力将不同，而这两方面对构件的耐火时间均有重要的影响。结构中构件的端部约束状态同样是千变万化的，试验中很难准确而又全面地加以模拟。

2.5 构件之间的相互影响也不能得到考虑。

要考虑上述因素的影响，可按所设计结构的实际荷载分布与大小以及构件端部约束的实际状态进行一系列构件的耐火试验，但这样做的费用相当昂贵。因此现在基于试验的抗火设计方法基本上被淘汰，现在的试验一般只用来检验理论研究的结果。

3 基于计算的构件抗火设计方法

为考虑荷载的分布与大小及构件的端部约束状态对构件抗火时间的影响，可按所设计结构的实际情况进行一系列构件的耐火试验，但这样做的费用非常昂贵。为解决基于试验的构件抗火设计方法中存在的问题，钢结构构件抗火计算理论研究引起了很多研究者的重视，并相应开展了大量的研究。这种抗火设计方法虽然克服了基于试验设计方法的一些缺陷，但其自身仍然存在一些缺陷。

4 基于计算的结构抗火设计方法

结构的主要功能是作为整体来承受荷载的。正如前面所述，火灾下结构中单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，但整体结构仍具有一定继续承载的能力。

基于计算的结构抗火设计方法是个相当热门和广阔的研究领域。国内外的研究学者都广泛地开展了关于火灾下结构反应和结构抗火设计的理论研究、试验验证和参数分析的研究工作。但许多方面的研究还处于初级阶段，且各项的研究成果也未能形成统一的、切实可行的理论体系，多半处于从点到线的发展阶段。因此目前也还没有提出适用于工程实用的且被有关规范所采纳的一套整体抗火设计方法。

5 考虑火灾随机性的结构抗火设计方法

现在的结构设计是以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有较大的随机性，且火灾发生后空气升温过程的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须要考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其它相关学科的研究，因此在这方面的研究和工程实践还很少，成果也不多。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚有待于进一步研究，但是它是结构抗火设计的发展方向。

基于试验的设计方法己成为传统，目前许多国家正结合试验采用基于构件计算的抗火设计方法，结构整体抗火性能仍是热门研究课题。当然，现代结构设计以概率可靠度为目标，火灾的发生具有随机性，火灾发生后空气升温的变异性很大，因此考虑火灾随机性的抗火设计方法也尚待研究。