大空间钢结构防火性能化研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇大空间钢结构防火性能化研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：大空间钢结构由于结构体系复杂，建筑使用或造型上的需要常常造成很难根据我国现行的建筑防火类规范进行防火设计，有必要对科学性、安全性均较高的防火性能化设计方法进行系统的研究。对国内外性能化设计方法的发展情况进行了总结，并对我国几个采用此方法进行防火设计的工程进行了对比分析，还对温度场分布以及整体力学性能的计算方法进行了研究与讨论。希望能够为相关领域的工程设计人员提供一定的参考借鉴作用。

关键词：大空间钢结构；性能化设计方法；工程实例；温度场；整体力学性能分析

大空问结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、机场、商场、超市、工业厂房及仓储设施等，其丰富的造型和所能提供的巨大使用空问已越来越受到人们的青睐。

然而，由于此类结构多采用钢材或高强度钢索作为主要承重构件，而钢材耐火性能相对较差，在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等会明显降低。从结构耐火性能来看，一般设置的基本安全目标包括：某些部位构件或了结构及结构整体在火灾发生后的一定时问内不能坍塌，以保证建筑内的人员有足够时问逃生，并使消防人员有足够时问灭火。具体到大空问钢结构的抗火设计，性能化设计方法则一般先根据火荷载和空问儿何尺寸建立火灾模型，求解空问及结构构件的温度场分布变化情况，再通过考虑材料属性等随温度的变化，对结构在火灾下的整体性能进行模拟与研究，从而得到防火设计建议。应用此方法所得的分析结果可靠性和安全性都较高，是近年来结构抗火领域研究的热点问题。

1. 大空间钢结构火灾下的温度场分布

1.1温度场分布数值计算的基本原理

传热过程中温度场求解可归结为求解质量守恒（连续性方程）、动量守恒（Navier-Stokes 方程）、能量守恒（能量方程）等守恒定律数学表达式。这些定律在数学上可以抽象成一个基本方程组。由于实际问题中传热过程较为复杂，都需要把空间与时间坐标中连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程，并进行求解。目前可采用的数值方法主要包括有限差分法、有限容积法、有限单元法和有限分析法等。

有限容积法（Finite Volume Method， FVM）是目前在传热问题数值计算中应用最广的一种方法，它是将所计算的区域划分为一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点代表。通过将守恒型的控制方程对控制容积做积分来导出离散方程。有限容积法在实施的难度、发展的成熟以及应用的广泛等方面都具有明显的优势。

1.2温度场分布数值计算基本原理

火灾下大空间结构的温度场分布计算属于求解三维情况下的非稳态传热问题，内部温度将随火源模型的热量释放而不断发生变化。计算应设定空间的初始温度，一般为 20℃且均匀分布，空气的密度可采用考虑自然对流作用 Boussinesq 模型，并在计算中考虑浮升力的影响。空气的热导率和粘性系数则可考虑随温度变化的分段线性模型。对流传热方面计算可采用标准 k -ε湍流模型，而辐射传热则应考虑火源和空间壁面间的辐射作用，并包含烟气对辐射热的吸收作用。

如前所述，热量传递过程还包括通过壁面内导热后，再通过外壁面附近的白然对流和向外空问的辐射作用而有所散失。但实际上，由于结构的维护部分大多含有保温材料，或采用砌块、砖墙等，热导率相对很低，外壁面升温速度很慢，并且白然对流主要发生在紧贴壁面的很薄的一层中，同时外壁面温度较低使得辐射热量也较小。因此，模型可近似地采用绝热壁面，并不会产生明显误差，而且可以节省计算时问，结果也相对保守。

2. 大空间钢结构火灾下的整体力学性能

我国采用防火性能化设计方法虽然各异，但实际上都是要保证火灾发展过程中，构件的温度不超过所设定的极限温度，否则将采用防火保护、移动火源、减少可燃物等方法以保证安全。本文以下针对大空间结构中两种较典型的结构体系对其火灾下的破坏模式进行初步的分析与讨论。

2.1门式刚架结构火灾下的破坏模式

门式刚架结构属于平面结构中较为典型的一种，多用于工业厂房类建筑，近年来得到了极为广泛的应用。此类结构由于工业生产流程的需要，内部空间往往都相当大，且由于使用功能的要求，火荷载也容易出现较大的情况，因此，对此类结构进行火灾下的力学性能研究是很有必要的。由于篇幅所限，本文将建立一简单的单层门式刚架房屋计算模型对其进行分析。采用变截面柱，柱脚铰接。统一选用 Q235 钢，跨度 18m，柱距 8m，檩条间距 1.5m，刚架梁坡度 1/20。并根据《门式刚架技术规程》强度及变形等控制条件，刚架梁、柱截面均选用焊接工字型钢，柱截面 H（300～450）×240×6×8，梁截面 H400×240×6×8。檐口高度分别设置 12m、6m 两种情况，分别对应工业厂房与仓储设施，火源功率统一选用 25MW，相当于现实中较严重的建筑火灾，火源位于结构底面中心。

火灾中，刚架梁交接处节点的竖向位移值经历一个从大到小再迅速增大的过程。分析初始阶段位移值减小的原因，主要由于刚架梁柱各构件在温度升高的过程中，会发生一定的热膨胀，而 300℃以下钢材的屈服强度和弹性模量降低幅度较小，热膨胀的效应则显得较为明显，故会产生竖向位移减小的现象。随着时间的延长，温度不断升高，钢材的弹性模量和屈服强度急剧降低，结构构件塑性区也将迅速扩大，刚架梁中央交点的竖向位移也急剧增大，直至破坏。

2.2 预应力柔性结构火灾下的破坏模式

预应力柔性结构与原有的刚性结构不同，结构的刚度主要由预应力所提供，因此在结构工作过程中，结构的刚度都会随预应力的分布而不断发生变化。此外，由于通过预应力过程使柔性拉索产生张力，但这些柔性拉索属于只拉元件，不应随着工况的改变而导致柔性拉索出现受压的情况，从而导致柔性拉索发生松弛而退出工作，进而导致结构破坏，一般均需设置与柔性拉索协同工作的稳定系统。

以索网结构为例，常温状况时，往往存在这样的情况，可能在荷载作用下存在一种荷载工况，譬如索网承受负风压时使主索内力减小而出现负值，就会使主索松弛而退出工作。同样地，索网结构在受到火灾作用下，由于温度的不断升高，同样可能造成副索因松弛而退出工作，导致失稳现象的出现，造成索网结构的破坏。柔性结构火灾下的性能分析较为困难，以下将主要选取较简单的典型跨度的双层悬索体系和鞍形索网结构。火源作用下升温过程中索内张力的变化情况进行计算分析，从而对此类结构火灾下的破坏模式简要总结。

3. 结论

对大空间结构进行火灾下力学性能整体分析目前开展的研究工作还较少，由于大空间结构体系多样，火灾下内力重分布、变形等情况也各异，需要对各种类型的此类结构火灾下的力学性能进行深入细致的分析与计算，力求得到便于工程设计人员应用的简化分析方法。

参考文献

[1] 中国工程建设标准化协会标准--钢结构防火技术规程（征求意见稿）[S].

[2] 中国建筑科学研究院建筑防火研究所. 北京新保利大厦消防性能化设计复核报告[R]. 2012.

[3]陶文铨.数值传热学（第 2 版）[M]. 西安：西安交通大学出版社， 2001. 1～24.

作者简介：肖凯峰（1987.1―），男，黑龙江工商学院教师，长期从事土木工程专业教学工作。