河北建筑工程學院學生科研課題選題報告課 題 名 稱 鋼結構抗火建筑材料的研究 學 生 姓 名 所 在 班 級 課 題 研 究 的起 止 時 間 2011年11月2012 年 06 月 建筑工程檢測加固與建筑節(jié)能研究所制一、選題依據(jù)及意義1、課題來源，項目名稱：課題來源：（這次先不填）項目名稱：（這次先不填）2、本選題有關的研究現(xiàn)狀和發(fā)展情況分析：國內外研究現(xiàn)狀：（1）近年來，全國各地紛紛展開大量的基礎設施建設項目。鋼結構以其自重輕、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點，被廣泛地應用于現(xiàn)代建筑中，包括：體育場館、工業(yè)廠房、商業(yè)大中庭、交通樞紐等。隨著英國的Cardington火災試驗及其后的數(shù)值分析研究，使得人們對于鋼結構在火災下的性能有了深入的了解，結構抗火領域的研究取得了很大的發(fā)展。性能化鋼結構抗火分析設計方法在工程實踐中也得到了廣泛的應用。（2）在高溫對混凝土材料性能的影響研究方面，國內外學者進行了大量的試驗研究，給出了混凝土和高強混凝土的熱工性能(導熱系數(shù)、比熱、質量密度、熱膨脹系數(shù))的函數(shù)表達式。國內外學者對高溫下和高溫后混凝土的力學特性、混凝土在多軸應力狀態(tài)下的抗壓強度也進行了相關的試驗研究，而混凝土的高溫本構關系研究一直是國內外研究的熱點?；炷恋母邷乇褑栴}的關鍵是定量確定爆裂發(fā)生的時間和爆裂深度。美國、德國、英國、加拿大、日本等國的專家，對混凝土結構在火災高溫環(huán)境中的反應及耐火性能進行了一系列的試驗研究，就結構在荷載及高溫共同作用下應力分布、變形、破壞特征等多方面進行了研究，并提出了各種混凝土結構的抗火分析方法和設計理論。（3）國內外學者分別對各類構件(如梁、柱、板、墻等)和框架結構進行了一定的燃燒(高溫)試驗和計算分析，得到一些定性的認識，這些成果對于進一步發(fā)展混凝土結構的抗火設計理論具有重要意義。國外對鋼筋和混凝土的高溫熱工性能進行了大量系統(tǒng)的實驗研究，得到了這些熱工參數(shù)的一般值和變化規(guī)律，其中較有影響的是Harmathy和Harada等人在混凝土的熱工性能方面的研究成果。發(fā)展趨勢、前景：（1）在國外，鋼結構已經(jīng)廣泛應用于各種工程技術領域；在國內，高層建筑鋼結構和大跨度結構的發(fā)展也預示著鋼結構將是未來結構發(fā)展的主要方向火災產(chǎn)生的高溫對鋼結構的強度、剛度等有很大的影響，如何有效地進行鋼結構的抗火設計是很有必要的由于對鋼結構或鋼構件的抗火性能進行試驗非常復雜且昂貴，因此，在一定的試驗數(shù)據(jù)基礎上開發(fā)數(shù)值模擬軟件，對鋼結構在火災中的反應進行數(shù)值模擬，具有重要的意義，它是性能化防火設計的關鍵所在（2）采用更精細的高溫材料模型，模擬真實結構的火災反應，是鋼結構抗火計算理論的發(fā)展趨勢考慮建筑物的真實火災特性，基于整體結構的火災反應，進行鋼結構火災風險評估，并以保障建筑消防人員安全和降低結構抗火成本為目標，確定鋼結構抗火性能指標，進行鋼結構抗火設計，是結構抗火安全評價與抗火設計的發(fā)展趨勢（3）鋼結構以其自重輕、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點，被廣泛地應用于現(xiàn)代建筑中，包括：體育場館、工業(yè)廠房、商業(yè)大中庭、交通樞紐等。隨著英國的Cardington火災試驗及其后的數(shù)值分析研究，使得人們對于鋼結構在火災下的性能有了深入的了解，結構抗火領域的研究取得了很大的發(fā)展。性能化鋼結構抗火分析設計方法在工程實踐中也得到了廣泛的應用。存在的主要問題：（1）構件耐火時間不能完全代表真實情況下結構的耐火時間，在大空間建筑的局部火災中可能出現(xiàn)過于保守而使材料浪費的情況基于性能計算的鋼結構分析方法可以用來根據(jù)實際情況更好地選擇經(jīng)濟有效的防火保護方法通過設置合理的火災場景，研究整體結構的火災響應特性，通過模擬計算分析，可以確定合理的防火保護措施，如適當?shù)谋Ｗo面積和涂層厚度對可能影響整體結構的關鍵構件要加強保護，而受火威脅小的構件，甚至可以不作保護現(xiàn)今國內外已開展的鋼結構抗火研究仍存在以下問題：實際結構火災中鋼材常處于多向應力狀態(tài)，鋼材多軸力學性能的研究不夠；大量鋼結構公共建筑火災屬于大空間火災，一般室內火災的特性不適于大空間火災，大空間建筑火災特性缺乏深入研究；對火災下整體結構的結構反應、承載能力和破壞特性缺乏深入、系統(tǒng)的研究；目前的抗火設計方法還是基于構件層次的，而一個結構構件的破壞并不能代表整個的破壞。（2）鋼材雖為非燃燒材料，但鋼不耐火，當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，一旦發(fā)生火災，結構很容易遭到破壞。從而導致整體結構的坍塌，由此可以看出，火災對鋼結構的建筑有較大的危害。3、本選題的研究內容：（1）基于計算的構件防火設計方法，要求考慮高溫下建筑用鋼的力學性能的變化，確定鋼結構的防火極限狀態(tài)，直至找到最經(jīng)濟的保護層厚度。（2）當進行結構抗火設計時，可將結構構件分為兩類。一類為受力和防火分隔兼具的結構構件(如承重墻、樓板等)，這類構件的耐火極限應由構件失去穩(wěn)定性、失去完整性、失去隔熱性三個條件之一的最小時間來確定。另一類為純受力構件(如梁、柱、屋架等)，該類構件的耐火極限則由失去穩(wěn)定性單一條件確定，即結構構件在火災中喪失承載能力，或達到不適宜繼續(xù)承載的變形。進行純受力結構抗火設計時，可根據(jù)規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求，直接選取相應的防火保護措施。規(guī)范規(guī)定的耐火極限是根據(jù)單一構件的標準火災試驗得到的。標準火災試驗必須遵循一定的升溫條件、壓力條件、約束條件、受火條件和試件要求等。通過對不同類型構件進行加載，對構件進行一定的防火保護，即噴涂一定厚度的涂料，在標準升溫條件下，確定構件的耐火時間。4、本選題的研究目的、意義：（1）抗火設計的目的是鋼結構構件在無上述防火措施時及上述防火措施被破壞或失效時，作為純鋼材構件。在火災下。在結構設計必須使結構能在規(guī)定的時間內結構構件不至于達到承載力或變形的極限狀態(tài)。由于火的燃燒變化較大，對結構構件的溫度分布不同。結構構件材料性能變化，由于熱變形引起的結構構件約束變化等等太多因素，結構抗火分析是一個非常復雜的過程。故我們將整個分析過程分為兩大部分，對火的分析和結構在火作用下的反應分析。（2）由于預應力混凝土結構的抗火性能劣于普通鋼筋混凝土結構、高強混凝土易爆裂、高性能混凝土火災行為特別等，因此開展結構的火災反應和抗火性能研究是非常有意義。（3）(1)減輕鋼結構在火災中的破壞，避免鋼結構在火災中局部倒塌造成滅火及入員疏散的困難；鋼結構的防火保護的目的是盡可能延長鋼結構到達臨界溫度的過程，以爭取時間滅火救人。(2)避免鋼結構在火災中整體倒塌造成人員傷亡。(3)減少火災后鋼結構的修復費用，縮短災后結構功能恢復周期，減少間接經(jīng)濟損失。二、研究方案1、技術方案：技術路線：（1）研究高溫條件下鋼結構的抗高溫性能，在確定各構件溫度后，應對受熱的構件、子結構或整體鋼結構進行力學性能分析。這可以通過采用簡單的構件極限溫度法、整體結構彈性分析或更為先進準確的非線性有限元分析方法來進行。（2）研究腐蝕條件下鋼結構的抗腐蝕性能的材料，目前最先進的結構火災下力學性能的分析方法是采用非線性有限元對整體結構進行模擬，它能更準確地反應整體結構在真實火災下的實際性能。通過利用英國Cardington足尺鋼框架火災試驗取得的實驗數(shù)據(jù)，采用有限元模型來模擬結構在火災中的反應的可靠性得到了驗證。目前常用于火災下結構性能分析的有限元分析軟件有ABAQUS、ANSYs、VULCAN等。（3）查詢中國建筑鋼結構防火技術規(guī)范，其中列出了鋼構件的抗火驗算方法，即根據(jù)結構在火災極限狀態(tài)下的荷載組合，考慮溫度效應在整體結構中的反應，進行構件的抗火承載力驗算。技術措施：（1）單一構件試驗的荷載大小、分布及約束情況與火災下構件的實際受力和約束條件不能完全相同。結構在火災下的性能是材料高溫性能、構件熱膨脹效應、約束條件等多種因素的組合。單一構件的標準火災試驗不能真實反應實際結構在火災下的性能。（2）火災情況下，結構構件的內力由外荷載產(chǎn)生的內力和由于構件升溫引起熱膨脹和熱彎曲而產(chǎn)生的溫度內力組合而成。另外，鋼材的強度和剛度也將隨溫度的升高而降低。結構抗火承載力分析將采用建筑鋼結構防火技術規(guī)范 的荷載組合和基于構件的驗算標準，通過加載的溫度計算結果，借助有限元分析完成。具體分析將通過選取典型子結構(單榀桁架式鋼框架)，考察火災下子結構的整體穩(wěn)定和各構件的最大應力來驗算結構的抗火承載力，進而確定鋼結構的最終防火保護策略。高溫下，鋼材強度和彈性模量的折減系數(shù)根據(jù)建筑鋼結構防火技術規(guī)范 確定荷載效應組合計算。2、實施方案所需的條件：（1）設備承重鋼框架。單層框架的梁、柱；設備承重鋼支架或回執(zhí)爐鋼支架。全部梁、柱； 鋼裙座外側未保溫部分及直徑大于12m的裙座內測； 鋼管架。底層主管帶的梁、柱，且不宜低于45m；上部設有空氣冷卻器的管架，其全部梁柱及斜撐均應覆蓋耐火層。涂有耐火層的構件，其耐火極限不應低于15h。當耐火層選用防火材料時，應采用厚型無機并能適用于烴類火災的防火涂料。（2）(梁和柱)在規(guī)定荷載分布與標準升溫條件下的耐火試驗。3、實施方案存在的主要問題、困難，解決途徑：（1）利用防火保護層雖然提高了鋼結構的抗火能力，但是也相應提高了鋼結構的建筑成本，從而限制了鋼結構建筑的推廣。因此，在對鋼結構進行防火保護的同時，還應設法對防火保護的厚度進行優(yōu)化，以降低成本。（2）鋼結構在火災中由于構件之間的相互作用，會在構件中產(chǎn)生復雜的相互作用力，從而對構件的抗火性能產(chǎn)生很大的影響 。因而，在鋼結構抗火設計中，確定構件中的相互作用力是個很重要的問題，力的分析系統(tǒng)是很重要的。（3）性能化結構抗火設計。目前基于標準升溫曲線考慮構件火災下支承條件影響的構件抗火驗算是主要的計算方法。然而實際火災是千差萬別的，不同業(yè)主對房屋的抗火要求也可能是不同的，于是根據(jù)建筑物的具體情況確定設計目標及處理方法的結構抗火性能化設計被提出來了。某些體育場、露天停車場、機場屋頂?shù)匿摻Y構部分未做防火保護，達不到耐火極限要求但也認為是安全的。4、本研究課題的技術關鍵：（1）噴涂法噴涂法是用噴涂機具將防火涂料直接噴在構件表面，形成保護層。法適用范圍最為廣泛，可用于任何一種鋼結構構件的耐火保護。（2）包封法包封法就是在鋼結構表面做耐火保護層，將構件包封起來，其具體做法如下。1、用現(xiàn)澆混凝土做耐火保護層2、用砂漿或灰膠泥作耐火保護層3、用礦物纖維4、用輕質預制板作耐火保護層。（3）屏蔽法屏蔽法是把鋼結構包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內，在鋼梁、鋼屋架下作耐火吊頂，火災時可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提高鋼結構的耐火能力，而且這種方法還能增加室內的美觀，但要注意吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應嚴密，防止竄火。(4)水噴淋法水噴淋法是在結構頂部設噴淋供水管網(wǎng)，火災時，會自動啟動開始噴水，在構件表面形成一層連續(xù)流動的水噴，從而起到保護作用。5、預期能達到的目標和科研成果：（1）性能化消防設計已成為世界性建筑消防設計發(fā)展的必然趨勢，它的發(fā)展將大大促進消防安全設計的科學化、合理化和成本效益的最優(yōu)化，并將產(chǎn)生十分重大的社會效益和經(jīng)濟效益。我國也應該加快性能化規(guī)范及配套技術的研究步伐，充分發(fā)揮性能設計的優(yōu)越性。今后應從以下幾個方面入手，促進鋼結構性能化設計技術的發(fā)展：加強鋼結構火災預測模型和火災風險評估模型的研究；建立和完善消防數(shù)據(jù)庫，提供準確的性能化指標，為性能化應用積累基礎性數(shù)據(jù)； 拓展計算機技術在消防中的應用； 制定性能化消防設計規(guī)范，為性能化設計方法的應用提供法律依據(jù)。（2）鋼結構可以做成大跨度、大空間形成較寬敞的無柱空間，敞式的大平面辦公室，工業(yè)廠房和倉庫等是最常見的空間形式。利用網(wǎng)架和網(wǎng)殼結構還可以實現(xiàn)跨度達幾十米的機場機庫，以及跨度達200 m以上的體育場館等。（3）幾年后，中國乃至全世界都普及鋼結構的抗火材料。比如：廠房、倉庫、體育館、展覽館、超市、住宅等建筑三、可行性分析施工速度快，采用鋼結構可為施工提供較大的空間和較為寬敞的施工作業(yè)面?？梢詫崿F(xiàn)鋼柱的吊裝、鋼框架的安裝、鋼筋混凝土核心筒的澆筑、組合樓蓋等的平行立體交叉作業(yè)。有時在上部安裝柱、框架的同時，下部可以進行內部裝飾、裝修工程。隨著施工作業(yè)的整體管理水平提高，對于鋼結構建筑的施工速度應該有很大的提升空間。鋼結構的質量容易保證，鋼結構構件一般都在工廠里制造、加工，精度高。在工地只是安裝就位，用工省，現(xiàn)場施工比較文明。減少了沙、石、水泥堆放場地，還減少了模板儲運、現(xiàn)場構件預制及鋼筋混凝土結構現(xiàn)澆時的濕作業(yè)， 在鬧市區(qū)或密集的居民區(qū)內，具有很大的施工優(yōu)點。鋼結構建筑在使用過程中易于改造，如加固、接高、擴大樓面等內部分割，變動比較容易、靈活。發(fā)達國家的經(jīng)驗是鋼結構建筑為環(huán)保型建筑，可以重復利用以及減少礦產(chǎn)資源的開采。在鋼結構的結構空間中，有許多孔洞與空腔，鋼梁的腹板也允許穿越小于一定直徑的管線，這樣管線的布置較為方便，也增加了建筑凈高度，而且管線的更換，修理都較方便。“911”事件，應力鋼結構的研究帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。飛機撞進大廈和大廈燃燒初期，大廈均沒有立即倒塌這就說明鋼結構是在火災溫度升到一定的時候才破壞的。四、研究的創(chuàng)新點（1）加強對加固鋼結構的抗火性能與設計方法的研究；加強對火災引起的次內力的研究；（2）加強對懸鏈線效應的研究；加強底部框架房屋抗火設計研究；加強火災下混凝土爆裂機理及防爆裂措施研究；（3）避免火災后結構坍塌造成的二次危害；加強房屋火災撲救方案的研究；加強火災下結構整體牢固性設計方法研究，加強結構抗火設計原則的統(tǒng)一與協(xié)調，編制結構抗火設計標準。五、主要參考文獻目錄（1）李國強現(xiàn)代鋼結構抗火設計方法消防科學與技術。（2）建筑設計防火規(guī)范。陳維，劉明臣譯高層建筑火災和防火安全建筑鋼結構防火技術規(guī)程譚巍高溫(火災