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研究所科研课题选题报告1范文

河北建筑工程学院

学生科研课题选题报告

课题名称钢结构抗火建筑材料的研究

学生姓名

所在班级

课题研究的

起止时间2011年11月－2012年06月

建筑工程检测加固与建筑节能研究所制

一、选题依据及意义

1、课题来源，项目名称：

◆课题来源：

（这次先不填）

◆项目名称：

（这次先不填）

2、本选题有关的研究现状和发展情况分析：

◆国内外研究现状：

（1）近年来，全国各地纷纷展开大量的基础设施建设项目。

钢结构以其自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点，被广泛地应用于现代建筑中，包括：

体育场馆、工业厂房、商业大中庭、交通枢纽等。

随着英国的Cardington火灾试验及其后的数值分析研究，使得人们对于钢结构在火灾下的性能有了深入的了解，结构抗火领域的研究取得了很大的发展。

性能化钢结构抗火分析设计方法在工程实践中也得到了广泛的应用。

（2）在高温对混凝土材料性能的影响研究方面，国内外学者进行了大量的试验研究，给出了混凝土和高强混凝土的热工性能（导热系数、比热、质量密度、热膨胀系数）的函数表达式。

国内外学者对高温下和高温后混凝土的力学特性、混凝土在多轴应力状态下的抗压强度也进行了相关的试验研究，而混凝土的高温本构关系研究一直是国内外研究的热点。

混凝土的高温爆裂问题的关键是定量确定爆裂发生的时间和爆裂深度。

美国、德国、英国、加拿大、日本等国的专家，

对混凝土结构在火灾高温环境中的反应及耐火性能进行了一系列的试验研究，就结构在荷载及高温共同作用下应力分布、变形、破坏特征等多方面进行了研究，并提出了各种混凝土结构的抗火分析方法和设计理论。

（3）国内外学者分别对各类构件（如梁、柱、板、墙等）和框架结构进行了一定的燃烧（高温）试验和计算分析，得到一些定性的认识，这些成果对于进一步发展混凝土结构的抗火设计理论具有重要意义。

国外对钢筋和混凝土的高温热工性能进行了大量系统的实验研究，得到了这些热工参数的一般值和变化规律，其中较有影响的是Harmathy和Harada等人在混凝土的热工性能方面的研究成果。

◆发展趋势、前景：

（1）在国外，钢结构已经广泛应用于各种工程技术领域；在国内，高层建筑钢结构和大跨度结构的发展也预示着钢结构将是未来结构发展的主要方向．火灾产生的高温对钢结构的强度、刚度等有很大的影响，如何有效地进行钢结构的抗火设计是很有必要的．由于对钢结构或钢构件的抗火性能进行试验非常复杂且昂贵，因此，在一定的试验数据基础上开发数值模拟软件，对钢结构在火灾中的反应进行数值模拟，具有重要的意义，它是性能化防火设计的关键所在．

（2）采用更精细的高温材料模型，模拟真实结构的火灾反应，是钢结构抗火计算理论的发展趋势．考虑建筑物的真实火灾特性，基于整体结构的火灾反应，进行钢结构火灾风险评估，并以保障建筑消防人员安全和降低结构抗火成本为目标，确定钢结构抗火性能指标，进行钢结构抗火设计，是结构抗火安全评价与抗火设计的发展趋势．

（3）钢结构以其自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点，被广泛地应用于现代建筑中，包括：

体育场馆、工业厂房、商业大中庭、交通枢纽等。

随着英国的Cardington火灾试验及其后的数值分析研究，使得人们对于钢结构在火灾下的性能有了深入的了解，结构抗火领域的研究取得了很大的发展。

性能化钢结构抗火分析设计方法在工程实践中也得到了广泛的应用。

◆存在的主要问题：

（1）构件耐火时间不能完全代表真实情况下结构的耐火时

间，在大空间建筑的局部火灾中可能出现过于保守而使材料浪费的情况．基于性能计算的钢结构分析方法可以用来根据实际情况更好地选择经济有效的防火保护方法．通过设置合理的火灾场景，研究整体结构的火灾响应特性，通过模拟计算分析，可以确定合理的防火保护措施，如适当的保护面积和涂层厚度对可能影响整体结构的关键构件要加强保护，而受火威胁小的构件，甚至可以不作保护．现今国内外已开展的钢结构抗火研究仍存在以下问题：

实际结构火灾中钢材常处于多向应力状态，钢材多轴力学性能的研究不够；大量钢结构公共建筑火灾属于大空间火灾，一般室内火灾的特性不适于大空间火灾，大空间建筑火灾特性缺乏深入研究；对火灾下整体结构的结构反应、承载能力和破坏特性缺乏深入、系统的研究；目前的抗火设计方法还是基于构件层次的，而一个结构构件的破坏并不能代表整个的破坏。

（2）钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，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。

从而导致整体结构的坍塌，由此可以看出，火灾对钢结构的建筑有较大的危害。

3、本选题的研究内容：

（1）基于计算的构件防火设计方法，要求考虑高温下建筑用钢的力学性能的变化，确定钢结构的防火极限状态，直至找到最经济的保护层厚度。

（2）当进行结构抗火设计时，可将结构构件分为两类。

一类为受力和防火分隔兼具的结构构件（如承重墙、楼板等），这类构件的耐火极限应由构件失去稳定性、失去完整性、失去隔热性三个条件之一的最小时间来确定。

另一类为纯受力构件（如梁、柱、屋架等），该类构件的耐火极限则由失去稳定性单一条件确定，即结构构件在火灾中丧失承载能力，或达到不适宜继续承载的变形。

进行纯受力结构抗火设计时，可根据规范规定的耐火极限要求，直接选取相应的防火保护措施。

规范规定的耐火极限是根据单一构件的标准火灾试验得到的。

标准火灾试验必须遵循一定的升温条件、压力条件、约束条件、受火条件和试件要求等。

通过对不同类型构件进行加载，对构件进行一定的防火保护，即喷涂一定厚度的涂料，在标准升温条件下，确定构件的耐火时间。

4、本选题的研究目的、意义：

（1）抗火设计的目的是钢结构构件在无上述防火措施时及上述防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件。

在火灾下。

在结构设计必须使结构能在规定的时间内．结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。

由于火的燃烧变化较大，对结构构件的温度分布不同。

结构构件材料性能变化，由于热变形引起的结构构件约束变化等等太多因素，结构抗火分析是一个非常复杂的过程。

故我们将整个分析过程分为两大部分，对火的分析和结构在火作用下的反应分析。

（2）由于预应力混凝土结构的抗火性能劣于普通钢筋混凝土结构、高强混凝土易爆裂、高性能混凝土火灾行为特别等，因此开展结构的火灾反应和抗火性能研究是非常有意义。

（3）

（1）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及入员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。

（2）避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。

．

（3）减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

二、研究方案

1、技术方案：

◆技术路线：

（1）研究高温条件下钢结构的抗高温性能，在确定各构件温度后，应对受热的构件、子结构或整体钢结构进行力学性能分析。

这可以通过采用简单的构件极限温度法、整体结构弹性分析或更为先进准确的非线性有限元分析方法来进行。

（2）研究腐蚀条件下钢结构的抗腐蚀性能的材料，目前最先进的结构火灾下力学性能的分析方法是采用非线性有限元对整体结构进行模拟，它能更准确地反应整体结构在真实火灾下的实际性能。

通过利用英国Cardington足尺钢框架火灾试验取得的实验数据，采用有限元模型来模拟结构在火灾中的反应的可靠性得到了验证。

目前常用于火灾下结构性能分析的有限元分析软件有ABAQUS、ANSYs、VULCAN等。

（3）查询中国《建筑钢结构防火技术规范》，其中列出了钢构件的抗火验算方法，即根据结构在火灾极限状态下的荷载组合，考虑温度效应在整体结构中的反应，进行构件的抗火承载力验算。

◆技术措施：

（1）单一构件试验的荷载大小、分布及约束情况与火灾下构件的实际受力和约束条件不能完全相同。

结构在火灾下的性能是材料高温性能、构件热膨胀效应、约束条件等多种因素的组合。

单一构件的标准火灾试验不能真实反应实际结构在火灾下的性能。

（2）火灾情况下，结构构件的内力由外荷载产生的内力和由于构件升温引起热膨胀和热弯曲而产生的温度内力组合而成。

另外，钢材的强度和刚度也将随温度的升高而降低。

结构抗火承载力分析将采用《建筑钢结构防火技术规范》的荷载组合和基于构件的验算标准，通过加载的温度计算结果，借助有限元分析完成。

具体分析将通过选取典型子结构（单榀桁架式钢框架），考察火灾下子结构的整体稳定和各构件的最大应力来验算结构的抗火承载力，进而确定钢结构的最终防火保护策略。

高温下，钢材强度和弹性模量的折减系数根据《建筑钢结构防火技术规范》确定荷载效应组合计算。

2、实施方案所需的条件：

（1）设备承重钢框架。

单层框架的梁、柱；设备承重钢支架或回执炉钢支架。

全部梁、柱；钢裙座外侧未保温部分及直径大于1．2m的裙座内测；钢管架。

底层主管带的梁、柱，且不宜低于4．5m；上部设有空气冷却器的管架，其全部梁柱及斜撑均应覆盖耐火层。

涂有耐火层的构件，其耐火极限不应低于1．5h。

当耐火层选用防火材料时，应采用厚型无机并能适用于烃类火灾的防火涂料。

（2）（梁和柱）在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验。

3、实施方案存在的主要问题、困难，解决途径：

（1）利用防火保护层虽然提高了钢结构的抗火能力，但是也相应提高了钢结构的建筑成本，从而限制了钢结构建筑的推广。

因此，在对钢结构进行防火保护的同时，还应设法对防火保护的厚度进行优化，以降低成本。

（2）钢结构在火灾中由于构件之间的相互作用，会在构件中产生复杂的相互作用力，从而对构件的抗火性能产生很大的影响。

因而，在钢结构抗火设计中，确定构件中的相互作用力是个很重要的问题，力的分析系统是很重要的。

（3）性能化结构抗火设计。

目前基于标准升温曲线考虑构件火灾下支承条件影响的构件抗火验算是主要的计算方法。

然而实际火灾是千差万别的，不同业主对房屋的抗火要求也可能是不同的，于是根据建筑物的具体情况确定设计目标及处理方法的结构抗火性能化设计被提出来了。

某些体育场、露天停车场、机场屋顶的钢结构部分未做防火保护，达不到耐火极限要求但也认为是安全的。

4、本研究课题的技术关键：

（1）喷涂法

喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。

法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢结构构件的耐火保护。

（2）包封法

包封法就是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法如下。

1、用现浇混凝土做耐火保护层

2、用砂浆或灰胶泥作耐火保护层

3、用矿物纤维

4、用轻质预制板作耐火保护层。

（3）屏蔽法

屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。

（4）水喷淋法

水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，会自动启动开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水喷，从而起到保护作用。

5、预期能达到的目标和科研成果：

（1）性能化消防设计已成为世界性建筑消防设计发展的必然趋势，它的发展将大大促进消防安全设计的科学化、合理化和成本效益的最优化，并将产生十分重大的社会效益和经济效益。

我国也应该加快性能化规范及配套技术的研究步伐，充分发挥性能设计的优越性。

今后应从以下几个方面入手，促进钢结构性能化设计技术的发展：

加强钢结构火灾预测模型和火灾风险评估模型的研究；建立和完善消防数据库，提供准确的性能化指标，为性能化应用积累基础性数据；拓展计算机技术在消防中的应用；制定性能化消防设计规范，为性能化设计方法的应用提供法律依据。

（2）钢结构可以做成大跨度、大空间形成较宽敞的无柱空间，敞式的大平面办公室，工业厂房和仓库等是最常见的空间形式。

利用网架和网壳结构还可以实现跨度达几十米的机场机库，以及跨度达200m以上的体育场馆等。

（3）几年后，中国乃至全世界都普及钢结构的抗火材料。

比如：

厂房、仓库、体育馆、展览馆、超市、住宅等建筑

三、可行性分析

施工速度快，采用钢结构可为施工提供较大的空间和较为宽敞的施工作业面。

可以实现钢柱的吊装、钢框架的安装、钢筋混凝土核心筒的浇筑、组合楼盖等的平行立体交叉作业。

有时在上部安装柱、框架的同时，下部可以进行内部装饰、装修工程。

随着施工作业的整体管理水平提高，对于钢结构建筑的施工速度应该有很大的提升空间。

钢结构的质量容易保证，钢结构构件一般都在工厂里制造、加工，精度高。

在工地只是安装就位，用工省，现场施工比较文明。

减少了沙、石、水泥堆放场地，还减少了模板储运、现场构件预制及钢筋混凝土结构现浇时的湿作业，在闹市区或密集的居民区内，具有很大的施工优点。

钢结构建筑在使用过程中易于改造，如加固、接高、扩大楼面等内部分割，变动比较容易、灵活。

发达国家的经验是钢结构建筑为环保型建筑，可以重复利用以及减少矿产资源的开采。

在钢结构的结构空间中，有许多孔洞与空腔，钢梁的腹板也允许穿越小于一定直径的管线，这样管线的布置较为方便，也增加了建筑净高度，而且管线的更换，修理都较方便。

“9．11”事件，应力钢结构的研究带来了新的机遇和挑战。

飞机撞进大厦和大厦燃烧初期，大厦均没有立即倒塌．这就说明钢结构是在火灾温度升到一定的时候才破坏的。

四、研究的创新点

（1）加强对加固钢结构的抗火性能与设计方法的研究；加强对火灾引起的次内力的研究；

（2）加强对悬链线效应的研究；加强底部框架房屋抗火设计研究；加强火灾下混凝土爆裂机理及防爆裂措施研究；

（3）避免火灾后结构坍塌造成的二次危害；加强房屋火灾扑救方案的研究；加强火灾下结构整体牢固性设计方法研究，加强结构抗火设计原则的统一与协调，编制结构抗火设计标准。

五、主要参考文献目录

（1）李国强．现代钢结构抗火设计方法．消防科学与技术。

（2）《建筑设计防火规范》。

陈维，刘明臣译．高层建筑火灾和防火安全．建筑钢结构防火技术规程．谭巍．高温（火灾）条件下钢结构材料性能及钢框架结构反应的分析研究．同济大学硕士学位论文，上海．1998．殷颖智．钢结构高强度螺栓受拉及受剪连接在高温下的性能．同济大学硕士学位论文。

（3）聂建国，王洪全．钢一混凝土组合梁纵向抗剪的试验研究，建筑结构学报。

钢结构设计规范，建筑钢结构防火技术规程。

（4）李国，蒋首超，林桂祥．钢结构抗火计算与设计．北京：

中国建筑工业出版社，19999．6。

任学军钢构件和钢框架火灾行为的数值。

合肥：

合肥工业大学。

赵延林．钢结构建筑防火问题探讨张春玉，山西建筑。

六、研究计划进度

（1）2011年11月~2011年12月：

研究高温条件下的钢结构材料。

（2）2012年1月~2012年6月：

研究腐蚀条件下的钢结构材料。

（3）2012年7月~查询中国《建筑钢结构防火技术规范》，其中列出了钢构件的抗火验算方法，即根据结构在火灾极限状态下的荷载组合，考虑温度效应在整体结构中的反应，进行构件的抗火承载力验算。

七、经费预算

支出项目

金额（元）

计算根据及理由

1．业务资料费

2．计算费

3．差旅费

4．专利申请费

5．试验材料费

6．

7．

8．

9．

10．论文制作费

合计

八、指导教师意见

导师签名：

年月日

说明及要求：

1、结合个人的选题，上网查阅有关文献，认真填写表内相关内容。

2、查阅参考博士或硕士论文的选题报告和开题报告，理解表内栏目的含义，注意表述形式，规范填写。

3、在填写完表内内容后，准确提炼并填写课题名称（封面处）。

4、及时保存查阅或下载的文献资料。

5、在2011.11.30前提交。