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

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