第3章 建筑耐火设计(第二部分 结构耐火设计部分)yyyy

第三章建筑耐火设计2134钢结构耐火设计建筑物的耐火等级建筑构件的耐火性能5建筑耐火构造建筑结构的倒塌与破坏建筑结构耐火建筑结构建筑结构是指建筑物中承重骨架的总称。凡建筑物，都是由屋盖、楼板、墙体、柱、基础等结构构件组成。这些构件在房屋中互相支承、直接或间接地、单独或协调地承受各种作用，构成了结构整体—建筑结构。钢结构木结构砌体结构钢筋砼结构组合结构火对建筑结构的破坏作用现代建筑中使用的钢筋砼结构和钢结构，材料自身不燃，但火灾高温作用对结构构件造成不利影响。1、木结构（包括其他可燃材料制作的构件）表面被烧蚀，削弱了承重断面；2、高温下钢材、混凝土强度、弹性模量降低；•钢结构受热变形破坏：1973年天津市体育馆、1986年唐山市棉纺织厂、1987年江油电厂俱乐部等火灾都引起了钢屋架的倒塌。•衡阳大火、南昌万寿宫商城火灾3、温度变化引起膨胀和变形使结构产生温度内力的弯矩；4、某些构件失效引起结构体系发生重大变化建筑结构耐火设计的任务１、建筑物在给定的火灾条件下，其结构能否确保稳定而不失效倒塌；２、如果评估结果发生倒塌，采取什么技术措施予以避免。目的：防止建筑物在火灾中发生恶性倒塌后果，尽最大限度的减少财产损失和人员伤亡。建筑耐火设计的现状耐火等级选定tftfd开始确定耐火极限设计构件试验校准构件耐火极限Yes结束NO（二）存在问题1、耐火等级选定不易操作2、耐火极限要求不够合理3、构件实有耐火极限的确定方法不够科学二、新的设计方法根据建筑结构在火灾实际中“设计受火状况”，确定其结构承载力。承载力＞火灾时有效荷载，安全。建筑耐火设计的现状建筑耐火设计的发展趋势目前，国际上先进的耐火设计方法：（1）根据具体情况，计算分区火灾温度—时间关系，以此作为构件升温曲线或以标准升温曲线作为受火条件；（2）解算构件截面温度场；（3）由结构理论建立构件抗力计算模型，按温度场计算结果确定相应的材料力学设计参数，计算构件抗力RF；（4）确定火灾时构件可能承受的重力荷载即有效荷载，用力学分析方法计算构件在有效荷载和温度共同作用下的荷载效应SF；（5）比较构件抗力和荷载效应的大小。开始计算火灾性状计算构件温度场计算构件抗力Rf计算构件荷载效应SfRf》SfY结束N有效重力荷载内力分析模型火灾荷载通风条件壁面参数定解条件材料热参数截面几何参数材料力学参数构件抗力模型我国耐火设计应解决的主要问题１、结构材料在高温下的有关设计参数研究。２、钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模型研究。３、钢结构防火涂料热性能及构件在给定临界温度下保护层厚度确定方法的研究。４、承重构件所需耐火极限的研究。５、火灾荷载分布统计研究。§3.3建筑结构的倒塌破坏一、结构倒塌破坏的特性建筑物——结构——构件组成结构的部分支承荷载，起骨架作用部分。即建筑物的支承部分。二、结构倒塌破坏的原因1、木结构（包括其他可燃材料制作的构件）表面被烧蚀，削弱了承重断面；2、钢结构受热变形破坏；3、砖石砌体因受热变形而开裂破坏；4、钢筋砼结构由于持续高温承载力下降；（钢砼结构耐火时间1h以上，预应力钢砼结构1h以下）5、结构因爆炸冲击震动而破坏；6、因上部结构倒塌引起结构破坏；7、灭火射水所致。§3.3建筑结构的倒塌破坏三、建筑结构倒塌的一般规律1、倒塌的顺序一般是从上到下，先吊顶，后屋盖，最后是墙、柱。2、木结构、钢结构都是易发生倒塌破坏，预应力钢砼不仅易发生倒塌破坏，而且破坏发生的早，来的突然。3、木结构屋顶，整个倒塌的少，局部破坏的多；钢结构屋顶则多发生整体或较大部分破坏或倒塌。4、在结构形式，简支构件、悬臂构件等静定结构比连续梁等超静定结构易于倒塌破坏；三铰拱、薄壳结构屋顶的倒塌破坏大多是整片的；桁架结构在火灾情况下破坏发生的早，且往往是大面积的破坏。5、房屋的墙一般是向里倒的。§3.3建筑结构的倒塌破坏纽约世贸大厦坍塌分析基本情况：纽约世界贸易中心建成于20世纪70年代，由七栋建筑组成，其中两栋姐妹楼，各有110层、高411.5m，面积各为44.6万m2。757飞机大约可载35吨燃油，767飞机可载51吨燃油.坍塌情况：9月11日上午8时46分，袭击1号90层，1小时42分后整体坍塌。9时3分，袭击2号56分后于9时59分发生整体坍塌。纽约世贸大厦坍塌分析如果撞击事件发生后，纽约世贸大厦承重结构耐火极限仍然满足美国建筑防火设计规范的要求的4小时，其坍塌的概率仅为0.000106，但是在这起事件中，两幢大楼在2小时内就坍塌了，远远小于4小时耐火极限。可能有以下原因：（１）高速飞行的飞机撞击大楼，一定程度破坏主体结构，钢结构防护层发生松动脱落；（２）经过近３０年使用，防火层的防火性能已经减弱；（３）火场温度比一般火灾高，燃油流动特性，直接灼烧主体钢构件；（４）消防设施失效。§3.4钢结构耐火设计yyT高温20℃是温度的函数，各国研究结果不同，推荐采用前苏联和日本采用的计算公式：yT一、裸露钢结构的耐火性能（一）钢材的高温力学性能201.0(300)750(300750)4500(750)syTsssysTCTCTCTCTC钢材温度1.0300750Ts20yyT(二）钢材的截面温度分布可认为钢构件内部温度均匀分布。（三）构件的截面系数定义：构件单位长度内受火面积F与其体积V之比，表示构件的吸热能力。F/V越大，构件受火面积越大，构件越不耐火。所用保护材料构造方式不同时，具体计算方法不同。AhbVF224AhbVF)(21、构件在火灾时有效荷载作用下，截面上产生初始应力。2、受弯构件随温度升高强度下降，最终全面屈服。原因：钢结构由单一材料组成，温度分布均匀，截面呈薄壁状，受火面积大，火灾中升温快，强度降低严重。裸露钢结构耐火极限为15min。210（四）构件的破坏过程二、钢结构防火保护材料要求：1、安全无毒。2、易与钢构件结合。3、在预期内能有效保护钢结构。4、钢构件受火发生变形时，防火保护材料仍保持原有保护作用。§3.4钢结构耐火设计（一）混凝土1、可以延缓金属构件的升温，而且可以承受与其面积和刚度成比例的一部分荷载。2、根据耐火试验，耐火性能最佳的粗集料为石灰岩碎石集料；花岗岩、砂岩和硬煤渣集料次之；由石英和燧石颗粒组成的粗集料最差。3、决定混凝土防火能力的主要因素是厚度。（二）石膏具有较好的耐火性能，高温下可释放出20%的结晶水被火灾的热量所气化，火灾中石膏一直保持相对的稳定状态，直至完全脱水。可做成板材粘贴于钢构件表面；可制成灰浆，涂抹或喷涂到钢构件表面。1、石膏板：普通、加筋重量轻、施工快而简便，不需专用机械，表面平整可做装饰层。2、石膏灰浆用矿物石膏做胶结材料，用膨胀珍珠岩或蛭石作轻骨料。（三）矿物纤维最有效的轻质防火材料，不燃烧，抗化学侵蚀，导热性低，隔音性能好。1、矿物纤维涂料：由无机纤维、水泥类胶结料以及少量的掺合料配成。加掺合料有助于混合料的浸润、凝固和控制尘灰飞扬。2、矿棉板岩棉板，有不同的厚度和密度，密度越大，耐火性能越高。（四）防火涂料薄涂型（B类），厚涂型（H类）B类：适用于室内裸露钢结构，有装饰要求的底层涂料、面层涂料：涂层2-7mm，耐火1.5h，又称钢结构膨胀防火涂料。四川：LB钢结构：3mm-0.5h;5mm-1.0h;6mm-1.5hH类：称无机防火隔热涂料，适用于隐蔽结构及耐火极限＞1.5h的保护。涂层7-80mm，极限1.5-4hLG型：8mm-0.5h;12mm-1.0h;17mm-1.5h27mm-2.0h;32mm-2.5h;37mm-3.0hLF溶剂型：1.7mm-1.5hSCB超薄型：1.5mm-1h;2mm-1.5h（五）选用原则1、必须具有国家级检测中心出具的合格的检测报告。2、应根据钢结构的类型特点、耐火等级和使用环境，选择符合性能要求的防火涂料。（1）根据建筑部位选用涂料：隐蔽钢结构：隔热型；裸露钢屋架：薄型（2）根据工程的重要性选用重要工业：厚涂；民用：薄涂（3）根据耐火极限要求选用（4）根据使用环境选用（一）截流法：1、原理：截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定时间内温升不超过其临界温度。2、分类：（1）喷涂法用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。三、钢结构耐火保护方法§3.4钢结构耐火设计1)注意：承受冲击振动的梁设计涂层厚度＞40mm粘结强度小于0.05MPa的涂料腹板高度大于1.5m的梁涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网，以确保涂层牢固。2）应用：可用于任何一种钢构件的耐火保护。（2）包封法1）用耐火材料把构件包裹起来。浇砼包封；不燃材料包封；钢丝网抹灰2）注意①采用硬质防火板材包封时，板材可用粘结剂或钢件固定。当包封层数大于两层时，各层板应分别固定，板缝应相互错开，其距离≮400mm。②用软质板材包封，应用薄金属板或其它不燃性板材包裹起来。③采用混凝土作保护时，混凝土中应布置一定量细钢筋或钢网片以防爆裂。3）应用：梁、柱、压型钢板楼板的保护。（3）屏蔽法1）把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内。2）注意：吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火3）应用：屋盖系统的保护。钢结构建筑防火保护案例（4）水喷淋法在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动（或手动）开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。以上四种属于截流法，设法减小传到构件上的热流量。（二）疏导法原理：将传到构件上的热量导走或消耗掉，从而使构件温度不致升高到临界温度，以此起到保护作用。方法：充水冷却保护在空心封闭截面（柱）中充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度维持在100ºC。（一）保护材料的性质及分类1、热物理性质2、平衡含水率3、保护材料分类（1）按吸热能力：轻型保护材料、重型保护材料ξ=CρFD2CsρsV≤1/4等式成立为轻型，否则为重型Cs、ρs钢材的比热和密度D——保护材料的厚度，V——构件单位长度的体积四、钢结构耐火保护层厚度计算（2）按含水率大小βρD2≤25等式成立为干保护材料，不成立为含水保护材料β——保护材料的平衡含水率λ（二）钢构件临界温度计算（Tc）临界温度：当构件在火灾时有效重力荷载作用下，遭受火烧达到极限状态的温度。有效荷载：构件在火灾时实际承受的重力荷载。PF=1.1G＋∑ΨiQi构件承受的可变荷载标准值可变荷载准永久值系数构件承受的永久荷载标准值020750450cyT0yTcsTTPPF/1构件承受有效荷载而遭受火烧，当材料强度下降到作用下的时，构件截面破坏。此时构件的温度即临界温度。FPyTFP0cT令：定义荷载系数θ1：20yssff设计强度其中塑性系数01FPfP则：21450750cT2sr222223121.0当一端固定一端铰支梁内力重分布影响系数两端固定或连续梁内跨其余所有构件常温时的设计荷载由于钢材温度大于550℃后强度很小，所以当求出的临界温度大于550℃时取℃。550cT【例1】某钢柱，其有效荷载与设计荷载之比为0.7，求临界温度。解：7.010.12CTC4350.17.045075045075021（三）导热微分方程假设：（1）保护材料外表面温度等于炉内平均温度。)(201608lg345)(stttT)()()/()/()()(2CTCTDCmWmWqdtTTDqss即构件温度材料内表面温度即炉温材料外表面温度保护层厚度导热系数的热流强度通过保护材料传给构件热时间内看作匀质平板传（2）由外部传输入的热量全部消耗于提高构件和保护材料的温度，不计其它热量损失。由于保护材料厚度较小，在微小时间增量时间内，可看作匀质平板的稳态传热。1、在时间dt内，传入构