钢结构抗火设计方法的发展

钢结构抗火设计方法的发展


李国强
同济大学

一、火灾对钢结构的危害
钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，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。例如，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌，1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600m2的库房倒塌；1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320m2的厂房烧塌，1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑（钢结构）整体倒塌。表1是我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。
建筑名称 结构类型 火灾日期 破坏情况
重庆天原化工厂 钢屋架 1960.2.18 20min倒塌
上海文化广场 钢屋架 1969.12 倒塌
天津市体育馆 钢屋架 1973.5.5 19min倒塌
长春卷烟厂 钢木屋架 1981.4.5 倒塌
北京友谊宾馆剧场 钢木屋架 1983.12 20min倒塌
唐山市棉纺织厂 钢梁 1986.2.8 20min倒塌
北京高压气瓶厂 钢屋架 1986.4.8 倒塌
江油电厂俱乐部 钢屋架 1987.4.21 20min倒塌

二、结构耐火极限
长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火（对结构更适合称抗火）问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件（如梁、楼板、楼梯等）在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间（或耐火极限）的规定。表2是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。
耐火等级燃烧性能和耐火极限（h）构件名称 一级 二级 三级 四级
墙 防火墙 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00
承重墙、楼梯间、电梯井的墙 非燃烧体3.00 非燃烧体2.50 非燃烧体2.50 难燃烧体0.50
柱 支承多层的柱 非燃烧体3.00 非燃烧体2.50 非燃烧体2.50 难燃烧体0.50
支承单层的柱 非燃烧体2.50 非燃烧体2.00 非燃烧体2.00 燃烧体
梁 非燃烧体2.00 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 难燃烧体0.50
楼板 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 非燃烧体0.50 难燃烧体0.25
屋顶承重构件 非燃烧体1.50 非燃烧体0.50 燃烧体 燃烧体
疏散楼梯 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 非燃烧体1.00 燃烧体

三、钢结构抗火设计的目标与意义
钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢虽为非燃烧材料，但不耐火，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低（图1），而火灾升温迅速（表3），故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此钢结构抗火设计的一般要求是：如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
进行结构抗火设计具有如下意义：
（1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；
（2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；
（3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

四、传统的钢结构抗火设计方法
传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定。进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可，因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄。
实际上，将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，构件受火在结构中会产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。正是注意到试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究工作。
从以前发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象，一类为有防火保护的钢结构在火灾中因没有达到预期的耐火时间而破坏，另一类为有防火保护的钢结构在超过预期耐火时间的火灾中并没有破坏。经分析，造成这两类现象虽有实际火灾升温与标准火灾升温不一致的原因，但另一个重要原因是，由试验确定的构件耐火时间，不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。因此通过计算进行钢结构的抗火设计，其意义是显著的。实际上，目前英国、瑞典、美国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构抗火设计规范，其中均规定了进行结构抗火计算的内容。

五、基于计算的现代钢结构抗火设计方法
基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响，在我国第一部钢结构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》中即采纳了这种方法，其计算过程如下：
（1）采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
（3）采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
（4）进行荷载效应组合
（5）根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。
（6）当设定的防火被覆厚度不合适时（过小或过大），可调整防火被覆厚度，重复上述（1）~（5）步骤。

六、结构抗火设计方法的发展趋势
结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。
现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。