第9章-钢结构的耐火设计

第9章钢结构的耐火设计2011.3西安科技大学安全教研室李莉2钢结构的特点1、钢结构自重较轻2、钢结构工作的可靠性较高3、钢材的抗震性、抗冲击性好4、钢结构制造的工业化程度较高5、钢结构可以准确快速的装配6、容易做成密封结构7、钢结构易腐蚀、耐火性差2011.3西安科技大学安全教研室李莉3钢结构火灾具有如下特点：（1）钢结构垮塌快，难扑救。钢结构建筑物发生火灾后，裸露的钢构件在烈火围困之中，一般只需15min便失去支撑能力，随即变形塌落。给消防灭火工作带来极大的困难。普通建筑钢的热导率是58W／(MK)。只需10秒自身温度达540℃以上，钢材的机械力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹件模量以及载荷能力等，都迅速下降；达到600℃时，强度则几乎等于零。因此，在火灾作用下，钢结构不可避免地扭曲变形，最终导致垮塌毁坏。2011.3西安科技大学安全教研室李莉4（2）火灾影响大，损失重。采用钢结构的建筑往往是大跨度的厂房、仓库、礼堂、影剧院、体育馆及高层建筑等，不论是工业用房还是民用建筑，一旦发生火灾，都将造成重大经济损失和惨痛的人员伤亡。“9.11”恐怖袭击中，在大火的作用下主楼仅仅经过30分钟便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案。2003年4月5日，青岛市即墨正大食品有限公司厂房发生火灾，在高温作用下，钢结构屋架约经过30分钟便轰然倒塌，导致20多名员工因未能及时疏散而被埋压在厂房内活活烧死。2011.3西安科技大学安全教研室李莉5（3）建筑物易毁坏，难修复。由于建筑物是以钢构件作为梁柱或屋架，在火灾中往往因为钢结构变形失去支撑能力，而导致建筑部分或全部垮塌毁坏，钢结构变成“麻花状”或“面条式”的废物。变形后的钢结构很难修复使用。2011.3西安科技大学安全教研室李莉6基本概念材料的变形分为弹性变形和塑性变形。弹性变形：物体在形变范围内形变后恢复原形状塑性变形：物体在形变范围内形变后不能恢复原形状，形状发生变化屈服强度:钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。2011.3西安科技大学安全教研室李莉7对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）当材料所受应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到一个值后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。2011.3西安科技大学安全教研室李莉8拉伸强度：拉伸强度是指材料在拉伸应力下产生最大均匀塑性变形的应力值。应变：材料在外力作用下，而材料不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。应力：材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，定义单位面积上的这种反作用力为应力。蠕变，就是在一定温度和较小的恒定外力下，材料形变随时间而逐渐增大的现象。2011.3西安科技大学安全教研室李莉9构件的截面系数：构件单位长度内受火面积F与其体积V之比来表示构件的吸热能力。截面系数F/V越大，构件越不耐火。构件的临界温度：当构件在火灾有效载荷作用下，遭受火烧达到极限状态时的温度。有效荷载：构件在火灾时实际承受的重力荷载。2011.3西安科技大学安全教研室李莉109.1钢结构的耐火性能钢结构耐火性差（15min)已是众所周知的事实。主要原因有三：①普通钢材在高温下强度大幅度降低。关于钢材随温度升高的强度降低系数的Ks取值，各国规范并不一致。欧洲钢结构协会(ECCS)建议的强度折减系数如式(1)所示。英国规范BS：5950Part8采用的对应干不同应变值的强度折减系数列于表l。2011.3西安科技大学安全教研室李莉11从表1可见，尽管钢材的强度折减系数取值不同，但其降低幅度均较大。2011.3西安科技大学安全教研室李莉12②钢构件多为薄壁状，截面系数大，从火场吸收的热量多，温度高。钢材在常温下因其强度高，所需截面小，在受压时易于失去稳定性。为提高钢构件的刚度，总是把构件截面制做得延展一些，使较多的材料远离截面形心轴，从而获得较大的抗弯刚度。当构件侧面面积相同，其体积较大者，在相同条件下其温度就低，反之则高；当构件体积相同，其侧面面积较大者，从火场吸收的热量多，温度高，反之则低。由此可见，构件截面系数F/V对构件升温影响较大。图1所示构件的截面系数对标准升温条件下构件温度的影响。2011.3西安科技大学安全教研室李莉132011.3西安科技大学安全教研室李莉14③钢材的导热系数大，截面上温度均匀分布，火更易于损伤其内部材料。钢材的导热系数可取58W/m·K，约为混凝土的30-50倍。这样，从火场传入构件表面的热量很快导入其内部，使温度在构件截面上的分布基本均匀，与其它构件相比，火更易于损伤钢结构的内部材料。2011.3西安科技大学安全教研室李莉15（一）钢材的高温力学性能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：1.应力应变曲线2011.3西安科技大学安全教研室李莉162.有效曲服强度yTyT指钢材在某一温度水平Ts时的实际曲服强度或条件曲服强度.它是温度的函数.2011.3西安科技大学安全教研室李莉1704507500.120syyTTTs≤300℃300℃＜Ts≤750℃Ts≥750℃式中20y为钢材在20℃即室温时的曲服强度,Ts为钢材温度℃2011.3西安科技大学安全教研室李莉18（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）构件的破坏过程综上述，由于钢结构由单一材料组成，温度均匀分布，截面呈薄壁状，受火面积大，火灾中升温快，强度降低严重。一般裸露钢结构的耐火极限仅15min。国内外多次发生倒塌事故，所以应该进行保护。2011.3西安科技大学安全教研室李莉199.2钢结构耐火保护方法钢结构防火保护的目的：就是在其表面提供一层绝热或吸热的材料，隔离火焰直接燃烧钢结构，阻止热量迅速传向钢基材，推迟钢结构温度升高的时间，使之达到规范规定的耐火极限要求，以有利于安全疏散和消防灭火，避免和减轻火灾损失。2011.3西安科技大学安全教研室李莉20多年来，人们开发研究了各种钢结构保护方法，这些保护方法从原理上来说分为两类：（一）截流法截流法即截断或阻滞火场热流量向构件的传输，从而使用构件在规定的时间内温度不超高其临界温度而保证稳定。主要构造方法是在构件表面设置一层热阻较大的保护材料。又可分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。2011.3西安科技大学安全教研室李莉211.屏蔽法设阻火屏障，不让火焰接触钢构件。2.包封法用绝热材料做成外壳，保护钢构件。1、浇砼包封2、不燃型材包覆3、钢丝网抹灰2011.3西安科技大学安全教研室李莉222011.3西安科技大学安全教研室李莉233.喷涂法1）喷涂无机纤维材料矿物纤维+粘结剂2）喷涂防火涂料钢结构防火涂料分为薄涂型钢结构防火涂料（B类）和厚涂型钢结构防火涂料（H类）：2011.3西安科技大学安全教研室李莉24（1）B类：适用于室内裸露钢结构、轻型钢屋盖结构及有装饰要求的钢结构要求耐火极限为1.5h以下。一般分为底层涂层和面层涂料，涂层厚度不超过7mm（2~7mm），有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，可将耐火极限由0.25h提高到1.5h，又称钢结构膨胀防火涂料。如LB钢结构膨胀防火涂料。（3mm—0.5h、5mm—1.0h、6mm—1.5h）2011.3西安科技大学安全教研室李莉25（2）H类：厚涂型钢结构防火涂料又称无机防火隔热涂料，适用于隐蔽结构及耐火极限大于1.5h的钢结构。涂层厚度一般在7mm以上（7~80mm），粒状表面，密度较小，导热率低，耐火隔热性好，能将钢结构的耐火极限由0.25h提高到1.5h~4h。如LG钢结构防火隔热涂料。（8mm—0.5h、12mm—1.0h、17mm—1.5h、27mm—2.0h、32mm—2.5h、37mm—3.0h）2011.3西安科技大学安全教研室李莉26（四）水喷淋法设自动（手动）喷淋系统，火灾时喷水，在构件表面形成一层连续流动水膜，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。2011.3西安科技大学安全教研室李莉27（二）疏导法疏导法允许火场热流量传到构件上，但在其温度升高到临界温度前将热量导走或耗掉。目前只有一种作法：在空心封闭截面中充水，依靠水的蒸发耗热，同样可使构件的温度不超过其临界温度。2011.3西安科技大学安全教研室李莉282011.3西安科技大学安全教研室李莉29热物理参数平衡含水率保护材料分类9.3钢结构耐火保护层厚度计算9.3.1保护材料的性质及分类2011.3西安科技大学安全教研室李莉301、热物理参数（）,,c防火保护材料的热物理参数应通过试验确定。这些参数一般都是温度的函数，在选定的温度范围内，可取其平均值来计算。2011.3西安科技大学安全教研室李莉312011.3西安科技大学安全教研室李莉322、平衡含水率含水率随空气含水率变化，当湿法生产的材料在大气中放置很长时间后，其含水率不再变化，称为平衡含水率。2011.3西安科技大学安全教研室李莉332011.3西安科技大学安全教研室李莉343、保护材料分类（吸热能力，含水率）轻型材料：吸热能力较小可忽略判定条件：412VCFDCss重型材料，不满足上式。计算构件温度时应考虑其吸热影响请特别注意：同一种材料，同一种厚度，用于不同的构件，可能属不同的类别；相同的材料，相同的构件，不同的厚度可能类别不同。2011.3西安科技大学安全教研室李莉35干保护材料：不计含水量对构件温度的影响判定条件：252D含水材料：不满足上式时。计算构件保护层厚度时应考虑含水量的影响请特别注意：同一种材料，不同的厚度，其类别可能不同。2011.3西安科技大学安全教研室李莉36(二)钢构件温度计算假定导热方程的建立导热方程的简化2011.3西安科技大学安全教研室李莉371、假定（1）保护材料外表面的温度等于试验炉内平均温度，即标准耐火试验给出的温度，内表面的温度等于钢构件的温度20)160/8lg(345)(ttT（2）由外部传入的热量全部消耗于提高构件和保护材料的温度，不计其它热损失（3）构件截面温度均匀分布（4）保护层厚度内温度线性分布2011.3西安科技大学安全教研室李莉382、导热方程的建立钢构件的传热是连续非稳态传热，现人为地把时间坐标离散化，在微小时间增量内，可认为构件温度和炉温保持不变保护材料厚度较小，可看作均质平板的稳态传热，由付立叶定律：热流强度：)()(tTtTDqs在时间增量内，通过保护材料传入构件单位长度内的总热量t2011.3西安科技大学安全教研室李莉39tFtTtTDtqFQs)()(相应地,炉温上升为，单位长度构件吸热为T)()(1tTttTVCQssss按稳态考虑，保护材料内温度线性分布，保护材料吸热为FDCTtTttTQss2)()(221QQQTtTtTCtVFDtTttTsssss1)()(11)()(2011.3西安科技大学安全教研室李莉403、导热方程的简化20)1608ln(83.149)(ttT608883.149608160/8183.149tttttdtdTT忽略第三项)()(11)()(tTtTCtVFDtTttTsssss2011.3西安科技大学安全教研室李莉41(三)保护材料厚度计算重型干保护材料厚度计算轻型保护材料厚度计算含水保护材料