建筑结构与防火课程设计.docx

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建筑结构与防火课程设计

建筑结构耐火安全分析与评估

结构耐火一般通过对结构构件采取防火保护措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实现。

因此，建筑物中主要受力构件的耐火性能应能在合理的基础上保持建筑结构在火灾条件下的安全性和整体稳定性。

对建筑构件进行耐火设计时应考虑如下因素：

1）建筑物的耐火等级；

2）构件的重要性；

3）构件的形式及其在建筑中的部位；

4）建筑物的火灾荷载、可能的火灾强度、火灾的危险性；

5）防火分区的大小及其分隔方式；

6）建筑物部灭火系统的设置情况及其可靠性和有效性；

7）建筑物的重要性；

8）消防队是否能及时救援及其救援能力；

9）人员安全疏散所需要的时间。

正常情况下，建筑室火灾所产生的高温烟气将会上升到室顶棚或屋盖下的空间。

对于本工程的钢结构屋盖体系，其中起承重作用的钢桁架及下拉索等钢结构构件会直接与热烟气接触，火灾产生的热量将传给钢构件。

如果无外界条件干扰，钢构件的温度将在一定时间不断升高，结果可能导致构件乃至整个结构的失效。

1钢结构耐火极限状态、耐火设计要求及计算条件

火灾条件下，随着钢结构部温度的升高，钢结构的承载能力将下降，当结构的承载能力下降到与外荷载（包括温度作用）产生的组合效应相等时，则结构达到受火承载力极限状态。

当满足以下条件之一时，则认为钢结构构件达到耐火承载力极限状态：

1）轴心受力构件的截面屈服；

2）受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构；

3）构件丧失整体稳定。

从火灾发生到结构或结构构件达到耐火承载力极限状态的时间为结构或结构构件的耐火极限。

对于钢结构，无论是构件层次还是整体结构层次的耐火设计，均应满足下列要求：

（1）在规定的结构耐火极限的时间，结构的承载力Rd应不小于各种作用所产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm；

（2）在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即td≥tm；

（3）火灾下，当结构部温度均匀时，若取结构达到承载力极限状态时的部温度为临界温度Td，则应不小于在耐火极限时间结构的最高温度Tm，即Td≥Tm。

上述三个要际上是等效的，进行结构耐火设计时，满足其一即可。

目前，国家规《建筑设计防火规》（GBJ16-87）和《高层民用建筑设计防火规》（GB50045-95，2001版）对钢结构屋盖中钢结构构件尚无明确的防火保护层厚度的具体规定。

而我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》（CECS200:

2006）在考虑钢结构构件最不利力组合的基础上，可以进行该类构件的耐火计算和验算。

为了保证火灾时屋盖体系的耐火安全，同时充分利用建筑钢结构中的新技术、新材料，选择后者作为本工程钢结构屋盖体系耐火设计的依据。

国际会展中心设计单位提供的屋盖体系钢结构构件，包括桅杆、撑杆、索、桁架弦杆和腹杆等的耐火设计计算条件如下：

1）所有杆件耐火极限都要求达到2h；

2）索材质为预应力钢丝，桅杆材质为Q345C，其余构件的材质均为Q345B；

3）本工程的最不利荷载为：

屋面恒荷载：

屋面荷载0.4kN/m2，吊顶管线0.1kN/m2，下弦的吊挂荷载1.0kN/m2；屋面活荷载：

展厅上空0.7kN/m2；风荷载：

W1=0.4/1.4×10=2.85kN/m2；W2=-1.4/1.4×10=-10kN/m2；雪荷载：

基本雪压为0.40kN/m2（50年一遇）；

4）本工程使用的厚涂型钢结构防火涂料性能应符合国家有关标准CECS24:

90，1990《钢结构防火涂料应用技术规》和GB14907-2002，2002《钢结构防火涂料》，涂料性能指标要求见表1。

表1厚涂型钢结构防火涂料性能指标要求

项目

指标

粘结强度

（MPa）

≥0.04

抗压强度

（MPa）

≥0.3

干密度

（kg/m3）

≤500

热导率

[W/（m.K）]

≤0.1160[0.1kcal/（m.h.℃）]

耐水性

（h）

≥24

耐冻融循环性

（次）

≥15

耐火极限

涂层厚度（mm）

15

20

30

40

50

耐火时间不低于（h）

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

需要计算的钢结构构件的截面规格及其在最不利荷载组合条件下构件达到的最大应力比等条件见表2。

表6.2钢结构构件表

钢构件

编号

位置

类型

规格

（mm）

钢材种类

最不利荷载组合时构件最大应力比

C4H

下拉索

钢缆

Φ109

预应力钢丝

0.343012

C1A

上拉索

钢缆

Φ118

预应力钢丝

0.24993

ST1

撑杆1

钢管

Φ18×273

Q345B

0.445229

M2A

撑杆2

钢管

Φ36×950

Q345B

0.293073

WG

桅杆压杆

钢管

Φ36×2000

Q345C

0.512012

RPT2FF

腹杆

工字钢

H200×250×8×14

Q345B

0.956623

RPT3FX

主桁架弦杆

工字钢

H400×200×10×16

Q345B

0.948998

RST2ASH

次桁架弦杆

工字钢

H400×200×8×14

Q345B

0.946771

RBR12T

上弦支撑

工字钢

H400×450×18×30

Q345B

0.954629

对本工程的钢结构屋盖进行了防火保护层厚度的设计计算

方案：

根据设计单位提供的本工程最不利荷载作用，按照国家规《建筑结构荷载规》（GB50009-2001）进行承载力极限状态下荷载效应组合，即

；然后按照我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》（CECS200:

2006）进行火灾下荷载效应组合，即

，暂不考虑温度力。

依据该规程的第5.2.3条，在力组合中不考虑温度力的情况下，应将计算所得的保护层厚度增加30%作为构件的保护层设计厚度。

针对本工程最不利荷载的情况，可计算出两部规（程）荷载效应组合比值

的最大值为0.593。

用0.593乘以最不利荷载下的最大应力比作为火灾下的最大应力比，同时根据我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》（CECS200:

2006），将材料强度的设计值乘以钢材耐火设计强度调整系数R（一般可取R=1.1），据此进行防火保护层厚度的设计计算。

2计算过程和步骤

2.1截面特性计算

构件截面形式有如下三种：

圆实心截面，圆管截面和H形截面。

参考国强、林海、楼国彪、首超著《钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计》（2006），三种截面的构件截面形状系数Fi/V的计算公式如下，计算结果如表3所示。

1）圆实心截面

（国强、林海、楼国彪、首超著《钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计》2006）

2）圆管截面

（国强、林海、楼国彪、首超著《钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计》2006）

3）H形截面

（国强、林海、楼国彪、首超著《钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计》2006）

表3截面特性计算结果

钢构件编号

位置

规格（mm）

Fi/V

（1/m）

C4H

下拉索

φ109

36.7

C1A

上拉索

φ118

33.9

ST1

撑杆1

φ18×273

59.5

M2A

撑杆2

φ36×950

28.9

WG

桅杆压杆

φ36×2000

28.3

RPT2FF

腹杆

H200×250×8×14

165.2

RPT3FX

主桁架弦杆

H400×200×10×16

156.7

RST2ASH

次桁架弦杆

H400×200×8×14

184.7

RBR12T

上弦支撑

H400×450×18×30

77.4

2.2保护层厚度计算

计算时用到的钢材和厚涂型钢结构防火涂料的材料特性如下：

钢材：

密度：

s=7850kg/m3

比热：

cs=600J/（kg.K）

导热系数：

s=45.0W/（m.K）。

防火涂料：

密度：

i=400kg/m3

比热：

ci=1047J/（kg.K）

导热系数：

i=0.116W/（m.K）。

方案

当采用按我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》（CECS200:

2006）进行荷载效应组合获得的最不利应力比时，各构件所需防火保护层厚度计算过程如下：

1.下拉索（规格：

109）：

1）计算耐火极限为2h时构件温度（构件温度的计算采用我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》公式6.2.1~公式6.2.4）

初步选定保护层厚度为di=6mm

=36.7

0.039

1

保护层为轻质保护层

=

=610℃

钢材温度Ts>600℃，超出适用围，因此di=6mm不满足要求，增大di为6.2，计算得：

B=686.65，Ts=595℃

2）钢的高温材性

高温下钢材强度折减系数

0.281

3）保护层厚度的确定

该构件应力比

=

0.343012=

0.343012=0.203，其中，

为火灾下构件最大应力，

为钢材强度设计值。

由我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》公式4.1.3-1、公式4.1.3-3可知：

应力比

0.203<

=0.309，其中，

为高温下钢材强度折减系数，

为钢材抗火设计强度调整系数，取1.1。

因此，di=6.2mm满足要求。

考虑温度应力的影响，依据我国工程建设规《建筑钢结构防火技术规程》（DG/TJ08-008-2000），应将保护层厚度加大30%，此时di=8.1mm。

其余构件计算过程与此类似，故在此不复赘述。

为相关计算所编写的程序界面如下：

下拉索的计算结果如下：

2.上拉索（规格：

118）：

3.撑杆1（规格：

18×273）：

4.撑杆2（规格：

36×950）：

5.桅杆压杆（规格：

36×2000）：

6.腹杆（规格：

H200×250×8×14）：

因为该构件应力比＞折减系数×1.1，所以保护层厚度不满足要求，须增加保护层厚度并重新计算。

经重新计算得保护层厚度为：

7、主桁架弦杆（规格：

H400×200×10×16）：

因为该构件应力比＞折减系数×1.1，所以保护层厚度不满足要求，须增加保护层厚度并重新计算。

经重新计算得保护层厚度为：

8、次桁架弦杆（规格：

H400×200×8×14）：

即该保护层为非轻质保护层，不能再用上面的方法直接计算，因此必须进行处理。

对截面形状系数

进行修正，修正后的截面形状系数为:

把数据带入以上公式，得到μ=0.509，

=147.2，代入：

因为该构件应力比＞折减系数×1.1，所以保护层厚度不满足要求，须增加保护层厚度并重新计算。

经重新计算得保护层厚度为：

9、上弦支撑（规格：

H400×450×18×30）：

因为该构件应力比＞折减系数×1.1，所以保护层厚度不满足要求，须增加保护层厚度并重新计算。

经重新计算得保护层厚度为：

3计算结果汇总

各个构件的计算结果汇总表

钢构件编号

位置

规格（mm）

Fi/V（1/m）

构件温度（℃）

保护层厚度（mm）

C4H

下拉索

Φ109

36.7

595

8.1

C1A

上拉索

Φ118

33.9

590

7.5

ST1

撑杆1

Φ18×273

59.5

597

13.0

M2A

撑杆2

Φ36×950

28.9

584

6.5

WG

桅杆压杆

Φ36×2000

28.3

593

6.2

RPT2FF

腹杆

H200×250×8×14

165.2

573

38.2

RPT3FX

主桁架弦杆

H400×200×10×16

156.7

577

35.9

RST2ASH

次桁架弦杆

H400×200×8×14

184.7

576

33.8

RBR12T

上弦支撑

H400×450×18×30

77.4

572

17.9

参考文献

[1]国强、首超、林海、楼国彪著,钢结构抗火计算与设计,中国建筑工业，2006

[2]建筑钢结构防火技术规（CECS200:

2006），2006

[3]宋占海、贾建东、宋东编著，建筑结构基本原理（第二版），中国建筑工业，2006

[4]国强、林海、楼国彪、首超著,钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计,中国建筑工业，2006

[5]艳著,新编VisualBasic程序设计教程,中国矿业大学，2007

附录：

VB程序代码

PrivateSubCommand1_Click（）

DimdAsSingle,tAsSingle,hAsSingle,bAsSingle,d1AsSingle,t1AsSingle

DimFVAsSingle,dBAsSingle

DimRsAsSingle,CsAsSingle,LsAsSingle,RiAsSingle,CiAsSingle,diAsSingle,LiAsSingle

DimT0AsSingle,TmAsSingle

DimmsgAsInteger

Rs=Text8.Text:

Ri=Text9.Text

Cs=Text10.Text:

Ci=Text11.Text

Ls=Text12.Text:

Li=Text13.Text

T0=Text15.Text:

Tm=Text16.Text*60*60

di=0.002

IfOption1.Value=TrueThen

d=Text1.Text

FV=4000/d

Label5.Caption="截面形状系数Fi/V为：

"+Str（Format（FV,"#.0"））+"（1/m）"

EndIf

IfOption2.Value=TrueThen

d=Text1.Text

t=Text2.Text

FV=1000*d/（t*d-t*t）

Label5.Caption="截面形状系数Fi/V为：

"+Str（Format（FV,"#.0"））+"（1/m）"

EndIf

IfOption3.Value=TrueThen

h=Text3.Text

b=Text4.Text

d1=Text6.Text

t1=Text7.Text

FV=1000*（2*h+4*b-2*d1）/（2*b*t1+（h-2*t1）*d1）

Label5.Caption="截面形状系数Fi/V为：

"+Str（Format（FV,"#.0"））+"（1/m）"

EndIf

Do

RE:

di=di+0.0002

dB=Li*FV/di

dB=Format（dB,"#.00"）

Ts=Sqr（0.044+0.00005*dB）-0.2

Ts=Ts*Tm+T0

LoopUntilTs<600

Ts=Format（Ts,"#"）

Label16.Caption="防火保护层厚度di="+Str（Format（（1000*di）,"#.0"））+"mm"

If2*Ci*Ri*di*FV/（Cs*Rs）<=1Then

Label17="该防火保护层为轻质保护层"

Label17.ForeColor=&H0&

Else

Label17="该防火保护层为非轻质保护层"

Label17.ForeColor=&HFF&

msg=MsgBox（"该防火保护层为非轻质保护层",vbOKOnly,"提示"）

Ifmsg=1Then

FV=InputBox（"请输入修正过的Fi/V值：

","提示"）

Label5.Caption="截面形状系数Fi/V为：

"+Str（Format（FV,"#.0"））+"（1/m）"

di=0

Do

di=di+0.0002

dB=Li*FV/di

dB=Format（dB,"#.00"）

Ts=Sqr（0.044+0.00005*dB）-0.2

Ts=Ts*Tm+T0

LoopUntilTs<600

Ts=Format（Ts,"#"）

Label16.Caption="防火保护层厚度di="+Str（Format（（1000*di）,"#.0"））+"mm"

If2*Ci*Ri*di*FV/（Cs*Rs）<=1Then

Label17="该防火保护层为轻质保护层"

Label17.ForeColor=&H0&

EndIf

EndIf

EndIf

Label18.Caption="截面保护层参数B="+Str（dB）

Label19.Caption="钢材温度Ts="+Str（Ts）+"℃"

Label20.Caption="高温下钢材强度折减系数ηT="+Str（Format（0.0000000124*Ts*Ts*Ts-0.00002096*Ts*Ts+0.009228*Ts-0.2168,"#.000"））

Label21.Caption="该构件应力比σf/f="+Str（Format（0.593*Val（Text14.Text）,"#.000"））

If（0.593*Val（Text14.Text））<（1.1*（0.0000000124*Ts*Ts*Ts-0.00002096*Ts*Ts+0.009228*Ts-0.2168））Then

Label22="因为该构件应力比≤折减系数×1.1，所以保护层厚度满足要求"

di=Format（1.3*di*1000,"#.0"）

Else

Label22.Caption=""

Label23.Caption=""

msg=MsgBox（"因为该构件应力比＞折减系数×1.1，所以保护层厚度不满足要求，须增加保护层厚度",vbOKOnly,"提示"）

Ifmsg=1Then

GoToRE

EndIf

EndIf

Label23.Caption="考虑温度应力的影响，由规规定应将保护层厚度增加30%，即此时di为：

"+Str（di）+"mm"

EndSub

PrivateSubCommand2_Click（）

Text1.Text=""

Text2.Text=""

Text3.Text=""

Text4.Text=""

Text6.Text=""

Text7.Text=""

Text14.Text=""

EndSub

PrivateSubCommand3_Click（）

End

EndSub

PrivateSubOption1_Click（）

Text1.Visible=True

Text2.Visible=False

Text3.Visible=False

Text4.Visible=False

Text6.Visible=False

Text7.Visible=False

Label1.Visible=True

Label2.Visible=False

Label3.Visible=False

Label4.Visible=False

Label6.Visible=False

Label7.Visible=False

EndSub

PrivateSubOption2_Click（）

Text1.Visible=True

Text2.Visible=True

Text3.Visible=False

Text4.Visible=False

Text6.Visible=False

Text7.Visible=False

Label1.Visible=True

Label2.Visible=True

Label3.Visible=False

Label4.Visible=False

Label6.Visible=False

Label7.Visible=False

EndSub

PrivateSubOption3_Click（）

Text1.Visible=False

Text2.Visible=False

Text3.Visible=True

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Text7.Visible=True

Label1.Visible=False

Label2.Visible=False

Label3.Visible=True

Label4.Visible=True

Label6.Visible=True

Label7.Visible=True

EndSub