第9章 钢结构抗火设计方法.docx
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第9章钢结构抗火设计方法
第9章钢结构抗火设计方法
9.1纽约世贸双塔钢结构耐火保护存在的问题
世贸中心双塔在钢结构耐火保护方面暴露出来的问题并不是孤立的，相似的问题在美国和欧洲的很多高层建筑都存在。
1 世贸中心钢结构耐火保护的分类
钢材作为重要的建筑材料，虽然不燃烧，但却是热的良导体，极易传导热量。
一般在300～400℃时，普通建筑用钢的强度开始迅速下降，到500℃左右，强度下降到40％～50％；钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于建筑结构要求的屈服强度，在纵向拉力和横向压力使用下，钢结构不可避免地扭曲变形，导致建筑物全部或部分坍塌。
钢结构的耐火保护，通常是指为了保护建筑物和构筑物的钢承重构件免受火灾中高温的破坏，在钢承重构件表面进行的防火涂料刷涂、喷涂和滚涂作业。
由于普通住宅或商业建筑火灾中的火场温度都会很快达到500℃，所以，可靠的耐火保护是确保钢结构高层建筑消防安全的一项基本措施。
不同规范在这方面的侧重有所不同：
建筑结构规范强调，根据不同的场所适当地选择相应的钢结构耐火保护措施，并达到不同的耐火极限要求；消防规范则强调，对钢结构的耐火保护层进行合理的维护，确保钢承重结构达到设计的耐火极限。
纽约世界贸易中心双塔先后使用了四种不同的钢结构耐火保护材料。
1．1 含石棉的矿棉类耐火保护材料
最初使用的矿棉类耐火保护材料含有石棉，主要成份是：
20％的温石棉（石棉中的一种，见注1）、60％～65％的矿棉（见注2）；其它15％～20％是作为粘结剂的石膏（见注3）和硅酸盐水泥。
在世贸中心施工后期，这种材料因为含有危害人体健康的石棉而被禁止使用。
因此，仅用于北楼36层以下和37层、38层局部的钢结构。
注1：
石棉（asbestos），是纤维状硅酸盐矿物的总称，抗热性强，化学活动性弱，有两个变种：
①闪石类石棉。
最佳的为透闪石（tremolite），化学成份为Ca2Mg5（OH）2Si8O22；
②蛇纹石类石棉。
纤维状的蛇纹石，称为纤蛇纹石（Chrysotile）、温石棉，化学成份为Mg3Si2（OH）4O5。
注2：
矿棉（mineralwool），矿渣棉和岩石棉的总称。
是将矿渣和岩石熔融后，用高压空气或蒸汽喷吹成的纤维，可以作绝热、防火材料。
注3：
石膏（gypsum），最普通、常见的硫酸盐矿物，单晶斜系，透明，白色到灰，微黄或微褐色，烧到190～200℃即制成烧石膏（bassanite）。
1.2 不含石棉的矿棉类耐火保护材料
禁止使用含石棉的耐火保护材料后，在北楼的其它部位和南楼的全部，使用了一种主要成份是矿棉和粘结剂，不含石棉的替代材料。
新材料主要应用于：
塔楼核心简体内的钢柱，塔楼周边承重钢柱和墙体的外表面；支撑混凝土楼板的大跨度钢桁架，以及各层楼饭内的电缆线槽。
1.3 不合石棉的蛭石类耐火保护材料
第三种钢结构耐火材料同样不含石棉，是含蛭石骨料的轻质石膏灰泥。
主要喷涂在世贸中心塔楼周边承重钢柱和墙体的内表面，以及楼板大跨度钢桁架的支座。
1.4 石棉水泥类耐火保护材料
考虑到世贸中心双塔中大量使用的不含石棉的矿棉类耐火保护材料脆性较大，耐腐蚀能力较弱，在经常受到振动和腐蚀性环境影响的部位，采用以普通硅酸盐水泥为基材，含80％温石棉的耐火保护材料，主要喷涂在钢结构已有的矿棉类耐火保护材料表面，起到加强作用。
石棉水泥类耐火保护材料主要应用在双塔内从中央大厅到44层和?
8层共享空间的高速电梯的电梯井，主要原因是，技术人员担心电梯轿厢高速运行时压缩电梯井内的空气产生的“活塞效应”破坏原有的矿棉类耐火保护层。
同时，在两座塔楼各四个设备层及设备层下一层的吊顶也喷涂了石棉水泥类耐火保护材料。
在“9·1l”中，被劫持飞机分别撞击的位置均采用不含石棉的耐火保护材料。
研究人员认为，不含石棉的耐火保护材料的性能逊于含石棉的材料。
具体表现在：
材料的密实性和均匀性不高，粘结强度也不如含有石棉的材料。
在当时的历史环境下，出于对石棉危害人体健康的恐惧，造成非石棉类耐火保护材料的推广和使用比较仓促，缺乏必要的火灾试验数据作为依据。
更糟糕的是，在美国材料试验协会（ASTM）于1977年，系统地提出关于钢结构耐火保护材料附着力、粘结强度、厚度和密度的试验方法之前，在施工现场没有任何可行的钢结构耐火保护施工质量试验、检查方法。
如果有关的试验、检查方法能够在20世纪70年代初期，也就是世贸中心建设期间出台，就有可能及时发现并补救双塔在耐火保护方面存在的种种问题。
2 世贸中心钢结构耐火保护存在的问题
2．1 涂层未完全闭合，露底、漏涂较普遍
世贸中心每层混凝土楼板下的大跨度钢桁架按设计要求应喷涂耐火保护材料。
在“9·11”发生前对北楼38层以下进行的检查表明，桁架表面多处存在涂层不闭合、露底、漏涂的现象：
桁架弦杆的顶部、底部和腹杆的不少位置，以及桁架末端与外墙交接的位置经常出现裸露，在很多部位，防锈的红丹（四氧化三铁）还清晰可见。
调查人员认为，除了施工质量存在问题外，世贸中心塔楼本身的结构特点也增加了钢结构耐火保护施工的难度。
通常情况下，工人是站在楼板，用一个伸长的喷枪喷涂耐火保护材料，而大跨度桁架的圆形杆件和比较小的安装角度都增加了施工的难度。
受到离楼板较近的构件的遮挡，施工人员很可能看不见或者够不到某些必须保护的部位，从而导致耐火材料喷涂厚度不足，或者完全漏喷、漏涂。
其它专业（如管道工程、设备工程等）的先期施工，也阻碍了对钢承重结构进行全面的耐火保护喷涂作业。
这一问题是高层钢结构建筑施工中普遍存在的现象。
为了彻底避免类似问题，相关规范有必要强调：
钢承重结构安装就位后，在与其相连或可能阻碍耐火保护施工的吊杆、管架、管道及其它构件安装完毕并经验收合格后，方可进行耐火保护施工。
只有这样，才可以保证钢结构的耐火保护层完全闭合，不出现露底、漏涂的现象。
“9·1l”后，由美国土木工程师协会（ASCE）和联邦紧急事务管理署（FEMA）共同组建的建筑性能评估组（BPAT）在对世贸中心废墟进行的实地检查中发现，很多钢结构耐火保护层的厚度低于设计要求的20mm。
多数问题很明显是由于施工质量存在缺陷造成的。
支撑每层楼板的大跨度桥架上的搁栅，与外墙接触位置的耐火保护也存在缺陷。
世贸中心塔楼周边承重钢柱上突出的角钢支座是支撑上述桁架的受力点，“9·11”发生前的一系列现场检查表明，在这一极其重要的结构节点，普遍存在钢结构耐火保护层厚度严重不足的问题：
角钢支座、将搁栅固定到支座上的螺栓，以及拱肩镶板上螺栓的外形均清晰可见。
事实上，如果这些部位的耐火极限达到设计图纸要求的4小时，耐火保护材料的厚度至少应为38mm；而如果真是这样，就不可能用肉眼区分出螺栓、角钢支座的轮廓和位置。
上述大跨度桁架的弦杆也普遍存在着耐火保护层厚度不达标的现象。
如果在施工过程中，ASTM有关钢结构耐火保护材料附着力、粘结强度、厚度和密度的试验方法得到应用，这些问题将很容易被发现。
2．3 钢基材未彻底除锈，涂层空鼓、脱落现象明显
在对世贸中心塔楼核心筒体钢柱进行的检查中，研究人员已经无法确认哪些钢柱属于78层以上的部位，但是，可以发现在钢柱的很多位置，存在耐火保护材料因粘结不牢固而大片脱落的现象。
一张摄于1994年的照片显示，纽约港务局人员在检查时发现，在核心简体的一根钢柱上，在几层楼高的范围内耐火保护材料成片脱落。
造成上述问题的主要原因是：
在进行耐火保护喷涂前，没有对钢材表面进行除锈和防锈处理，附着在铁锈上的耐火保护材料当然会随着铁锈的脱落而脱落。
在“9·11”发生后对现场提取的铁锈进行检查发现，铁锈上粘结着耐火保护施工时喷涂的水泥浆，从而证明了在喷涂耐火保护材料前并未进行全面的除锈作业。
因此，钢柱表面的耐火保护层没有与钢基材牢固粘结，也就很容易出现空鼓、大片脱落的现象。
上述问题在世贸中心双塔20多年的使用过程中从未得到过补救，至少在2000年6月，本文作者实地查看时仍是老样子。
因此，可以推断，在“9·11”恐怖袭击中，飞机巨大的撞击力量，很容易造成直接受到撞击的楼层和其它楼层已经存在问题的耐火保护层大面积脱落。
2．4 涂层受外力破坏现象普遍
在“9·11”发生前的多次检查中拍摄的大量照片表明，在世贸中心的电梯井内，由于钢缆的磨擦、抽击，或者电梯设备安装、维修时工人的踩踏，很多钢梁上的耐火保护材料已经严重脱落。
3 缺乏对施工质量的必要测试
研究人员认为：
世界贸易中心双塔的钢承重结构在耐火保护方面存在的诸多问题不是孤立的，同样的问题在1977年ASTM相关标准正式施行前完工的其它任何钢结构建筑中都可能存在。
在世界贸易中心双塔设计施工前，设计人员首先要根据建筑规范确定不同建筑构件的耐火极限要求，再根据保险商试验室（UL）标准火灾试验确定耐火保护层的厚度要求。
施工过程中，耐火保护材料是否牢固地附着在钢材表面?
是否保持较好的凝聚状态?
厚度和密度是否满足相关要求?
是否可以真正起到隔热、耐火的作用?
——所有这些问题的答案只能来自于在现场进行的相关检查和测试；反过来说，如果没有在对施工现场进行的一系列测试，也就无法判断施工质量是否满足诸如UL的合格判定标准。
但是，由于在世贸中心施工时，ASTM还没有提出在施工现场评定钢结构耐火保护施工质量的相关标准，造成了缺乏对施工质量的必要控制。
前面提及的ASTM有关钢结构耐火保护材料附着力、粘结强度、厚度和密度的试验方法是在世贸中心完工数午后出现的。
如果这些标准能够提前施行，将及时发现、解决世贸中心塔楼在钢结构耐火保护方面存在的一系列问题：
例如，通过有关防火涂料附着力的试验，可以及时发现世贸中心塔楼核心筒体钢柱存在的耐火保护层附着力不强、易于脱落的问题；通过有关耐火保护层厚度和密度的试验，也可以发现楼板大跨度钢桁架弦杆普遍存在的涂层厚度不足的缺陷。
4 对钢结构耐火保护层的日常维护
有关钢结构耐火保护的另一个重要问题就是，如何面对在建筑物使用过程中，由于各种原因对钢结构耐火保护层造成的损坏，这一问题同样存在于近年来完工、在施工过程中进行了较严格的质量管理的建筑内。
因为在长时间的使用过程中，原来合格的耐火保护层可能受到外力破坏，也可能随着外界环境的变化自然老化，实际耐火能力不断下降，最后很可能达不到设计的耐火极限。
事实上，建筑内其它专业（如供水、供电、供气、供暖、通讯，等等）经常性的维修作业常常会破坏已有的钢结构耐火保护层，在“9·11”发生前，检查人员在世贸中心塔楼内，就经常发现耐火保护层被后继施工损坏的明显痕迹。
现行规范没有对钢结构建筑的耐火保护层提出进行定期检查的要求，也没有要求在确认耐火保护层已经不能满足设计耐火极限要求的情况下，及时做出结论性意见。
5 应当汲取的教训
根据设计要求，世贸中心双塔的柱、桁架和梁通过喷涂耐火保护材料进行耐火保护，分别应当达到一定的耐火极限要求：
柱的耐火极限应达到4小时，桁架和梁的耐火极限应达到3小时。
然而，建筑物真实的环境条件，肯定区别于耐火试验时的标准试验环境，实际情况往往是承重构件达不到要求的耐火极限，而原因则是多方面的。
例如：
如果钢材表面的铁锈未被彻底清除，其附着力就明显下降；而且，由于铁锈的存在，耐火保护材料的导热系数等热工参数也会发生变化。
另外，由于施工工艺和管理水平的不同，钢结构耐火保护的施工质量也可能发生较明显的变化；其他专业的施工和维修也可能影响和破坏钢结构耐火保护的质量。
在分析世界贸易中心双塔倒塌的原因时，必须充分考虑钢承重结构耐火保护存在的诸多缺陷——而且涉及的范围将极其广泛。
火灾中，保证建筑物消防安全的基本前提是，在设定的耐火极限内，建筑构件保持结构的稳定性，不受破坏，从而为人员疏散和火灾扑救创造条件。
在世贸中心双塔倒塌前，人们一直认为，只要设计满足规范要求的耐火极限，就可以保证建筑物的使用者和消防队员的安全。
事实说明，我们必须对目前的建筑防火设计体系进行全面的反思：
如果双塔完全符合现行规范的要求，却发生了倒塌，就意味着现行建筑防火规范有关建筑构件耐火极限的要求和有关建筑物火灾安全性的规定存在问题；相反，如果是由于双塔本身并没有真正满足现行规范的要求而造成其倒塌，我们则应该将精力侧重在如何强化现行规范的执行方面。
9.2火灾对钢结构的影响
1火灾对钢结构的危害
钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，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，钢材基本丧失全部强度和刚度。
因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。
例如，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌，1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600m2的库房倒塌；1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320m2的厂房烧塌，1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑（钢结构）整体倒塌。
表1是我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。
表1钢结构屋盖火灾倒塌实例
建筑名称
结构类型
火灾日期
破坏情况
重庆天原化工厂
钢屋架
1960.2.18
20min倒塌
上海文化广场
钢屋架
1969.12
倒塌
天津市体育馆
钢屋架
1973.5.5
19min倒塌
长春卷烟厂
钢木屋架
1981.4.5
倒塌
北京友谊宾馆剧场
钢木屋架
1983.12
20min倒塌
唐山市棉纺织厂
钢梁
1986.2.8
20min倒塌
北京高压气瓶厂
钢屋架
1986.4.8
倒塌
江油电厂俱乐部
钢屋架
1987.4.21
20min倒塌
2结构耐火极限
长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火（对结构更适合称抗火）问题的不多。
确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。
然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件（如梁、楼板、楼梯等）在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。
因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间（或耐火极限）的规定。
表2是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。
表2建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限
3钢结构抗火设计的目标与意义
钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
钢虽为非燃烧材料，但不耐火，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低（图1），而火灾升温迅速（表3），故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。
因此钢结构抗火设计的一般要求是：
如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
表3ISO834标准升温曲线温度时间关系
时间（min）
温度升高，Tg-T0（℃）
0
0
5
556
10
659
15
718
30
821
60
925
90
986
120
1029
180
1090
240
1133
360
1193
图1
、
随温度的变化
进行结构抗火设计具有如下意义：
（1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；
（2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；
（3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。
9.3传统的钢结构抗火设计方法
传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定。
进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验 得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可，因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄。
实际上，将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。
首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，构件受火在结构中会产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。
正是注意到试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究工作。
从以前发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象，一类为有防火保护的钢结构在火灾中因没有达到预期的耐火时间而破坏，另一类为有防火保护的钢结构在超过预期耐火时间的火灾中并没有破坏。
经分析，造成这两类现象虽有实际火灾升温与标准火灾升温不一致的原因，但另一个重要原因是，由试验确定的构件耐火时间，不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。
因此通过计算进行钢结构的抗火设计，其意义是显著的。
实际上，目前英国、瑞典、美国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构抗火设计规范，其中均规定了进行结构抗火计算的内容。
9.4基于计算的现代钢结构抗火设计方法
基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。
这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响，其计算过程如下：
（1）采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
（3）采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
（4）进行荷载效应组合
（1）
式中
—荷载组合效应；
—永久荷载标准值；
—楼面或屋面活载（不考虑屋面雪载）标准值；
—风载标准值；
—构件或结构的温度变化（考虑温度效应）；
—永久荷载分项系数，取1.0；
—楼面或屋面活载分项系数，取0.7；
—风载分项系数，取0或0.3，选不利情况；
—温度效应的分项系数，取1.0；
—分别为永久荷载、楼面或屋面活载、风载和温度影响的效应系数。
（5）根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。
验算公式为：
对于轴心受压钢构件
（2）
式中N—火灾下构件所受的轴压力设计值；
A—柱的毛截面面积；
—高温下轴心受压构件的稳定系数；
—系数，根据构件的长细比和温度按表4确定；
表4系数
的确定
构件温度℃
构件长细比
200
300
400
500
550
570
580
600
50
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.96
100
1.04
1.08
1.12
1.12
1.05
1.00
0.97
0.85
150
1.08
1.14
1.21
1.21
1.11
1.00
0.94
0.74
200
1.10
1.17
1.25
1.25
1.13
1.00
0.93
0.68
—常温下对应长细比和截面类型的轴心受压柱的稳定系数，根据现行钢结构设计规范有关规定确定；
T－高温下钢材强度手抓减系数；
Ts－钢材强度（单位：
C）；
R－钢结构抗火设计强度调整系数，取R=1.1。
对于受弯构件
（3）
式中Mx—火灾下梁的最大弯矩设计值；
Wx—绕x轴的毛截面抵抗矩；
—高温下钢梁的整体稳定系数；
—系数，按下式确定
Ts——钢梁的平均温度；
—常温下对应长细比和截面类型的钢梁的整体稳定系数，根据现行钢结构设计规范有关规定确定。
当
时，按下式将
修正为
对于偏心受压构件
（4a）
（4b）
式中N，Mx—分别为火灾下偏心受压构件轴力和最大弯矩设计值；
m，t—等效弯矩系数，根据现行钢结构设计规范有关规定确定；
，
—分别为高温下弯矩作用平面内及平面外轴压构件整体稳定系数；
—高温下均匀受弯构件整体稳定系数；
NEXT—高温下弯矩作用平面内的欧拉临界力；
x—构件弯矩作用平面内柱的长细比。
上列钢结构抗火验算公式与常温下钢结构的验算公式形式相同，便于结构工程师掌握与应用。
（6）当设定的防火被覆厚度不合适时（过小或过大），可调整防火被覆厚度，重复上述
（1）~（5）步骤。
9.5结构抗火设计方法的发展趋势
结构的主要功能是作为整体承受荷载。
火灾下结构单个构件的破坏，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少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。
当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。
现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。
考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。
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