建筑结构与防火课程设计.docx

1、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

2、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

3、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RdSm；（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tdtm；（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TdTm。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（GBJ16-8

4、7）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（CECS 200:2006）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Q3

5、45B；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=0.4/1.410=2.85kN/m2；W2=-1.4/1.410=-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

6、）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)1520304050耐火时间不低于（h）1.01.52.02.53.0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109预应力钢丝0.343012C1A上拉索钢缆118预应力钢丝0.24993ST1撑杆1钢管 18273Q345B0.445229M2A撑杆2钢管 36950Q345B0.

7、293073WG桅杆压杆钢管 362000Q345C0.512012RPT2FF腹杆工字钢H 200250814Q345B0.956623RPT3FX主桁架弦杆工字钢H 4002001016Q345B0.948998RST2ASH次桁架弦杆工字钢H 400200814Q345B0.946771RBR12T上弦支撑工字钢H 4004501830Q345B0.954629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

8、(CECS 200:2006)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(CECS 200:2006)，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

9、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10936.7C1A上拉索11833.9ST1撑杆11827359.5M2A撑杆2369502

10、8.9WG桅杆压杆36200028.3RPT2FF腹杆H200250814165.2RPT3FX主桁架弦杆H4002001016156.7RST2ASH次桁架弦杆H400200814184.7RBR12T上弦支撑H400450183077.42.2 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

11、（CECS 200:2006）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=36.70.0391保护层为轻质保护层 =610钢材温度Ts600，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=5952）钢的高温材性高温下钢材强度折减系数0.2813）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

12、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： 18273）：4.撑杆2（规格： 36950）：5.桅杆

13、压杆（规格： 362000）：6.腹杆（规格：H200250814）：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：H4002001016）：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：H400200814）：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=0.509，=147.2，代入：因为该构件应力比折减系数1.1，所

14、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：H4004501830）：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10936.75958.1C1A上拉索11833.95907.5ST1撑杆1 1827359.559713.0M2A撑杆2 3695028.95846.5WG桅杆压杆 36200028.35936.2RPT2FF腹杆H 200250814

15、165.257338.2RPT3FX主桁架弦杆H 4002001016156.757735.9RST2ASH次桁架弦杆H 400200814184.757633.8RBR12T上弦支撑H 400450183077.457217.9参考文献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，20062 建筑钢结构防火技术规（CECS 200:2006），20063 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，20064 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，20065 艳著,新编Visual Basic程序设计教程,中

16、国矿业大学，2007附录：VB程序代码Private Sub Command1_Click()Dim d As Single, t As Single, h As Single, b As Single, d1 As Single, t1 As SingleDim FV As Single, dB As SingleDim Rs As Single, Cs As Single, Ls As Single, Ri As Single, Ci As Single, di As Single, Li As SingleDim T0 As Single, Tm As SingleDim msg As

17、IntegerRs = Text8.Text: Ri = Text9.TextCs = Text10.Text: Ci = Text11.TextLs = Text12.Text: Li = Text13.TextT0 = Text15.Text: Tm = Text16.Text * 60 * 60di = 0.002If Option1.Value = True Then d = Text1.Text FV = 4000 / d Label5.Caption = 截面形状系数Fi/V为： + Str(Format(FV, #.0) + (1/m)End IfIf Option2.Value

18、 = True Then 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)End IfIf Option3.Value = True Then 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) * d

19、1) Label5.Caption = 截面形状系数Fi/V为： + Str(Format(FV, #.0) + (1/m)End If DoRE: 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 Loop Until Ts 600 Ts = Format(Ts, #) Label16.Caption = 防火保护层厚度di= + Str(Format(1000 * di), #.0) + mm If 2 * Ci *

20、Ri * di * FV / (Cs * Rs) = 1 Then 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) If msg = 1 Then 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 d

21、i = di + 0.0002 dB = Li * FV / di dB = Format(dB, #.00) Ts = Sqr(0.044 + 0.00005 * dB) - 0.2 Ts = Ts * Tm + T0 Loop Until Ts 600 Ts = Format(Ts, #) Label16.Caption = 防火保护层厚度di= + Str(Format(1000 * di), #.0) + mm If 2 * Ci * Ri * di * FV / (Cs * Rs) = 1 Then Label17 = 该防火保护层为轻质保护层 Label17.ForeColor =

22、 &H0& End If End If End If 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T= + 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f/f= + Str(Format(0.593 * Val(Text14.Text),

23、#.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

24、, 提示) If msg = 1 Then GoTo RE End If End If 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) + mmEnd SubPrivate Sub Command2_Click()Text1.Text = Text2.Text = Text3.Text = Text4.Text = Text6.Text = Text7.Text = Text14.Text = End SubPrivate Sub Command3_Click()EndEnd SubPrivate Sub Optio

25、n1_Click()Text1.Visible = TrueText2.Visible = FalseText3.Visible = FalseText4.Visible = FalseText6.Visible = FalseText7.Visible = FalseLabel1.Visible = TrueLabel2.Visible = FalseLabel3.Visible = FalseLabel4.Visible = FalseLabel6.Visible = FalseLabel7.Visible = FalseEnd SubPrivate Sub Option2_Click()

26、Text1.Visible = TrueText2.Visible = TrueText3.Visible = FalseText4.Visible = FalseText6.Visible = FalseText7.Visible = FalseLabel1.Visible = TrueLabel2.Visible = TrueLabel3.Visible = FalseLabel4.Visible = FalseLabel6.Visible = FalseLabel7.Visible = FalseEnd SubPrivate Sub Option3_Click()Text1.Visible = FalseText2.Visible = FalseText3.Visible = TrueText4.Visible = TrueText6.Visible = TrueText7.Visible = TrueLabel1.Visible = FalseLabel2.Visible = FalseLabel3.Visible = TrueLabel4.Visible = TrueLabel6.Visible = TrueLabel7.Visible = TrueEnd Sub