建筑结构耐火设计.docx
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建筑结构耐火设计
建筑结构耐火
设计
1、钢材在高温下其强度和弹性模量降低,造成钢结构变形过大失去支撑能力
而倒塌。
国内曾多次发生倒塌事故。
如1960年重庆天原化工厂、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
2、钢碎结构虽属于耐火结构,在高温下钢筋强度降低,碎强度、弹性模量降低,碎爆裂加速钢碎构件的破坏,也有可能发生倒塌破坏。
典型案例:
南昌万寿宫商城火灾
建筑结构耐火设计一一就是通
过对常温下设计的结构进行必要的验算和补充,确保结构在限定的耐火时间内安全可靠。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
一、建筑结构耐火设计的现状
(一)我国建筑结构耐火设计仅限规范中耐火等级的划分这种设计方法。
1、对建筑构件进行耐火试验(标准条件下),确定其耐火极限;
2、若所选构件耐火极限满足规范规定,认为构件满足防火设计要求。
(二)存在问题
1、标准升温曲线不同于实际火灾;
2、耐火试验中构件的试验荷载、约束条件、测量等条件不易精确控制,与实际情况有出入;
3、耐火试验炉尺寸有限。
总之,试验结果不能准确代表构件在实际火灾下的耐火性能。
二、新设计方法
根据建筑结构在实际火灾中设计受火状况”,确定其结构承载力,若这一承
载力大于火灾时的有效荷载,即认为结构安全可靠。
第一节建筑结构的倒塌与破坏
一、结构倒塌破坏的概念
1、建筑物一结构一构件
2、引起建筑结构倒塌破坏的原因很多
3、建筑结构因火灾倒塌破坏的后果是严重的
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、钢筋硅结构由于持续高温承载力下降;
不得用于商业用途
(钢碎结构耐火时间1h以上,预应
力钢碎结构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。
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,预应力钢碎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;三较拱、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。
OyT
5、房屋的墙一般是向里倒的。
第二节钢结构耐火设计
-、钢结构的耐火性能
(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:
LO(Z<30CPC)
(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
%5仃口
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。
二、钢结构耐火保护方法
(一)屏蔽法
设阻火屏障,不让火焰接触钢构件。
(二)包封法
用绝热材料做成外壳,保护钢构件。
1、浇碎包封
2、不燃型材包覆
3、钢丝网抹灰
(三)喷涂法
1、喷涂无机纤维材料
矿物纤维+粘结剂
2、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):
(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)
(2)H类:
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
7mnW上(7~
0mm,粒状表面,密度较小,热导热率低,耐火隔热性好,能将钢结构的耐火
极限由0.25h提高至U1.5h~4h。
如LG钢—1.0h、17mnr1.5h、27mnr2.0h、32m
m—2.5h、37mm-3.0h)
(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。
(五)充水冷却保护
适用于空心结构,通过水循环,不断将热量带走,从而使钢材温度永远达不到它的极限温度。
又称疏导法。
三、钢结构耐火保护层厚度计算
(一)保护材料的选用与分类
1、选用
(1)具有良好的绝热性;
(2)在装修、正常使用、火灾中,不开裂、不脱落,自身有一定强度;
(3)不腐蚀钢材;
(4)不含危害人体健康的石棉等物质。
2、分类
(2)按含水率大小分为/干保护材料且对含水保护材料丸
"-平衡含水率见表6-2
(二)钢构件临界温度计算(Tc)
临界温度:
当构件在火灾有效荷载作用下,遭受火烧达到极限状态的温度。
火灾有效荷载:
构件在火灾时实际承受的重力荷载。
匕二11G+X^,2,G--永久荷载标准值Q--可变荷载标准值W--准永久系数当仃"下降到「尸作用下Tc=750-450-^―
设日力=2%=%
8,--内力重分布影响系数
仃。
时构件破坏此时温度为临界温度Tc
_f_/--设计强度具3。
—乙九--塑性系数
当一端固定一端钱支梁=-
3
两端固定或连续梁内娉8会二工
2其余所有构件%=1。
Tc=750-450名牝
当北e550口。
时取心;550℃wIw
例:
某钢柱,其有效荷载与设计荷载之比为0.7,求临界温度。
解:
61=0.762=1.0
Tc=750-450%%
=750-450x0.7x1,0
二435(℃)
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。
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,具体计算方法可查表6-4(P139)。
如:
1、在时间dt内,传入构件单位长度的
总热量:
A0=qFdt=~(T-TS}Fdt
F一单位长度构件保护材料内表面面积On?
I喻
2、在时间出内,构件温度上升dTs,炉温上升△T,
则单位长度构件吸收的热量:
AQ=%pydTsv--单位长度构件的体积(加3m)
按稳态考虑,材料内温度线性分布,在dt时间内材料吸收的热量:
FDpc
(四)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。
(R/\
T{t}=3451g—+1+20/--G)
160)
(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。
q=^(T-T,)(dt时间内看作匀质平板传热)q——通过保护材料传给构件的热流强度⑺心)尢--导热系数(质!
m℃)口——保护层厚度
T--材料外表面温度即炉温(°C)
t3--材料内表面温度即构件温度(℃)
(3)根据假设,△QEQ1+AC2,上
述结果代入,
不得用于商业用途
令"启万'经整理得:
A
dT=巨」.2(丁一T)出—AT
33Ps1+4旷J1+4
由于AT二7”二149.83—?
一山,随t增加,ZVT很快
8f+60
衰减,Z\T可忽略不计,偏于安全计算:
4
隼=。
._1_.£(丁一7;/人人重型材料导热微分方程
出CM1+JV
当时,吸热力较小,可忽略不计,<二。
得轻型材患导热微分方程:
虹s二D
dtc.P.
JJ◎
(五)轻型干保护材料厚度计算了_用41
将上式简化:
「J方节)
已知保护材料及构造方式,即F,"已知,给定耐火时间h[,就可求出D.但由于方程不是简单函数,化为差分方程.
T(/+2V)=^_・4・£・A/
CRDV
3451g
'8fn…
——+1+20
160」
AF工fDV则上式化为:
+(,展《”
称为截面一材料综合系数(W/m3r),
atAt
步
CM
3451g
<8/A
—+1+20
160)
给定耐火时间t和构件临界温度Ts,通过计算机
迭代可解出综合截面系数%,如表6—3(P135)o
选定材料,即已知A.Fy即可由%=,工中,解出D。
'DV
(六)重型或含水材料保护层厚度计算
1、重型材料保护层厚度计算当选用重型材料时,其吸热能力大,不能忽略口
(1)先按轻型干保护材料求出初定厚度D';
⑵求“舞
(3)若即为所求;
(4)
cp
2"s
2、含水材料保护层厚度计算
当选用含水材料作保护层时,温度上升到100C,水份蒸发吸收热量,材料温度基本不变;水份蒸发完后,温度继续上升,如图所示,升温曲线与干材类似,只是滞后时间*根据国外试验研究结果,a可由下式估算:
(niin)
式中夕为保护材料的平衡含水率,重量百分比;。
为初定厚度⑷
计算步骤:
(1)求轻型干材确定初定厚度D,;
(2)当座匕工25时,为干材,D'即为所求;2~
(3)当班。
“25时,对D'进行修正;
(4)t=-(min)
冒5A
(5)用(t《)代替t,重查表6—3得见'
(6)用修正后4代入求出D.
(轻型)
,AF1
OL&=—■—・
DV1+4
3、重型含水材料保护层厚度计算
(1)按轻型干材求初定厚度D';
(2)对D'进行吸热修正,求出D〃;
(3)对D'进行含水修正,求出厚度D。
例:
求A3简支梁,截面I32a耐火时
间为90min时保护层厚度。
已知:
型钢尺寸力=0.32叽2?
=0.13m,5=0,01也月=67x10'4病;
采用石膏板作三面箱形包覆,A=02万/疗℃>P=800%/罐c=17007/Kg。
。
§=20%;临界温度7;=451另外q=520J/ATg℃?
p:
=7850Kg/用。
解
(1)求初定厚度D,:
十一尸1Fb+2h0.13+2x0.32一,八,1、
查表6—4:
一二二二114.9(―)
VA67x10"m
查表6—3:
q=450。
。
f=90min0=5l7W/m℃
则。
'=-=1[4,9=0.045(m)
%V517
(2)对D,进行吸热修正:
x114.9-0.852(l)i
4
jcpFD'_1700x800x0,045Zc^py_2x520x7850
属重型材料,需进行吸热正:
尸cp1700x800c
K==二。
1667
2cp2x520x7850
-1+{1+4x0,1667x114.92x0%7
-2x0.1667x1149
=0.0288(m)
(3)对D"进行含水修正:
d=2°x80°x0.02882=6636。
为含水材料,
40.2
需要进行含水修正:
BpI严20x800x0.02882-、
J=-==14(mm)
v5九5x0.2
以匕卜9。
-14=75min,Tc=450C查表6—3得
%=647W/m3℃
再由公式:
D=
2K
-1+v'l+4x0J667xll4.92xO.2/647
2x0.1667x1149
=0.024(m)=24mm
第三节钢砂结构受火灾危害后的鉴定
与修复
一、受损程度的检查和试验
(一)火灾现场调查
1、火灾发生的时间、地点及起火熄灭的总的燃烧时间。
2、室内着火物和可燃物的种类、数
量及分布情况。
3、火灾蔓延的途径。
4、燃烧条件:
如风力、风向、气温、灭火过程、消防给水等。
(二)收集建筑物原始设计资料
1、建筑物的平、立、剖面图;建筑物构造,防火分区等。
2、建筑物的结构形式、构件结构尺寸、材料强度等;装修的种类、厚度、性能等。
(三)受害部位的外观检查和试验
1、根据火灾现场室内装修、油漆、家具、电气线路以及各物品的变形、烧损及熔融情况、碎表面颜色及外观特征,可以判断火场的温度。
例如:
片状玻璃:
软化或粘着700-750C
50C
碎颜色变化:
温度
色
300~500c略粉
500-700C
浅红色
700~800c浅黄色
>800C
浅灰白
浅灰白
灰白
浅黄色
2、观察构件的受损伤情况,注意发现节点、支座、跨中及构件接合部位的损伤和倒塌破坏。
记录碎受压区有无压碎情况,保护层剥落的位置、形状,发现构件在火灾中的烧熔融部位,构件上有无烧穿的孔洞,接头预埋件是否发生位移,观察钢筋有无烧断的情况,碎在火灾中发生爆裂的位置、大小、深度等
3、用工具测量结构的变形、裂缝,取得较准确的数据。
(1)测量裂缝的分布位置、宽度、深度和长度。
特别注意有无贯穿性裂缝和沿钢筋的纵向裂缝。
若裂缝宽度大于5mm,是钢碎破坏的标志。
(2)构件变形不仅测挠度,还要注意构件有无平面外弯曲。
4、构件试验:
在受损轻重交界部位取样,确定其剩余承载力。
二、受损程度的鉴定
根据结构受热温度、变形状况、裂缝分布及开展等,将结构受损程度分为四个等级:
(一)一级一一轻度损伤
碎表面温度V400C,受力主筋温度<100C,构件表面颜色无明显变化,钢筋保护层完好,无露筋现象,没有空鼓。
构件仅装修、粉刷有轻微损坏,其它状态与未受火结构无明显差别。
(二)二级一一中度损伤
碎表面温度400〜500C;受力主筋温度<300C;碎颜色由灰色变为粉红色;
有空鼓现象,使中等力用锤敲击时,钢筋保护层可打落下,构件表面有局部爆裂,爆裂深度不超过20mm构件露筋面积不大于25%碎表面有裂缝,纵向裂缝少,钢筋和硅之间粘结力损伤较轻;构件的残余挠度不超过规范规定的数值。
(三)三级一一严重损伤
碎表面受热温度约600〜700C;受力主筋温度约300〜400c;硅表面颜色呈浅黄色;构件空鼓现象较严重,用锤敲击声音发闷,钢筋保护层剥落;碎爆裂严重,深度可达30mm露筋面积小于40%碎裂缝多,纵向、横向裂缝均有,钢筋与硅之间粘结力局部破坏严重;构件变形较大,受弯构件的挠度超过规范数值1〜3倍;受压构件约有30%勺受压钢筋鼓出;碎有局部烧坏。
(四)四级一一危险结构
碎表面温度约700c以上;受力主筋温度可达400〜500C;构件受到实质性破坏,有明显受火烧融的痕迹,钢筋保护层严重剥落;表面碎爆裂深度在30mn«上;露筋严重,面积大于40%构件纵向、横向裂缝多而密,钢筋与硅之间粘结力严重破坏,钢筋有烧损和烧断现象,主筋有扭曲,受弯构件受拉区裂缝宽度可达1~5mm受压区有明显破坏特征,支座处斜裂缝增多;构件挠度可达到破坏标准,且有平面外弯曲;构件沿垂直、水平方向被分割成若干层;受压构件失去稳定,局部破坏,50%U上的受压钢筋鼓出;柱牛腿烧损严重。
三、火灾损伤钢碎结构加固和修复
总的原则:
将损伤的混凝土铲除掉,修补孔洞和缺损,必要时增设附加钢筋或其它方法保证结构有足够的承载力,同时按照需要给构件以足够的截面尺寸。
加固前应尽量使构件卸荷,使加固获得更好的效果。
(一)按结构受损等级进行修复
1、一级一一轻度损伤:
清理污物,重新粉刷。
2、二级一一中度损伤:
填补碎,灌缝,作外包。
3、三级一一严重损伤:
按等强加固,用钢碎外包层或粘贴钢板等方法加固。
4、四级一一危险结构:
拆除,更换新构件。
(二)构件的具体加固方法
1、柱的加固
(1)增大截面
(2)角钢加固(3)粘贴钢板法
2、梁的加固
(1)侧面加厚法
(2)底面粘贴钢板法
3、板的加固
仅供个人用于学习、研究;不得用于商业用途
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.
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