建筑結構耐火性能分析

　　本節介紹了主要的建筑結構形式以及各種建筑結構耐火性能的特點、影響建筑結構耐火性能的主要因素、火災下建筑結構及構件極限狀態的定義、建筑結構耐火時間計算模型的選取方法及計算步驟、鋼結構和混凝土結構的耐火時間計算方法、整體結構耐火時間計算的方法和步驟等。

　　一、影響建筑結構耐火性能的因素

　　(一)結構類型

　　1.鋼結構

　　鋼結構是由鋼材制作結構，包括鋼框架結構、鋼網架結構和鋼網殼結構、大跨交叉梁系結構。鋼結構具有施工機械化程度高、抗震性能好等優點，但鋼結構的最大缺點是耐火性能較差，需要采取涂覆鋼結構防火涂料等防火措施才能耐受一定規模的火災。在高大空間等鋼結構建筑中，在進行鋼結構耐火性能分析的基礎上，如果火災下鋼結構周圍的溫度較低，并能保持結構安全時，鋼結構可不必采取防火措施。

　　2.鋼筋混凝土結構

　　鋼筋混凝土結構是在混凝土配置鋼筋形成的結構，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力，二者共同承擔荷載。當建筑結構耐火重要性較高，火災荷載較大、人員密度較大或建筑結構受力復雜的場合時，鋼筋混凝土結構的耐火能力也可能不滿足要求。這時，需要進行鋼筋混凝土結構及構件的耐火性能評估，確定結構的耐火性能是否滿足要求。

　　3.鋼-混凝土組合結構

　　(1)型鋼混凝土結構。型鋼混凝土結構是將型鋼埋入鋼筋混凝土結構形成一種組合結構，截面形式如圖5-4-15所示。適合大跨、重載結構。由于型鋼被混凝土包裹，火災下鋼材的溫度較低，型鋼混凝土結構的耐火性能較好。

　　圖5-4-15 型鋼混凝土結構

　　(2) 鋼管混凝土結構。鋼管混凝土結構是由鋼和混凝土兩種材料組成的，它充分發揮了鋼和混凝土兩種材料的優點，具有承載能力高、延性好等優點。鋼管混凝土結構中，由于混凝土的存在可降低鋼管的溫度，鋼管的溫度比沒有混凝土時要低得多。一般情況下，鋼管混凝土結構中的鋼管需要進行防火保護。鋼管混凝土柱截面如圖 5-4-16所示。

　　圖5-4-16 鋼管混凝土結構

　　(二)荷載比

　　荷載比為結構所承擔的荷載與其極限荷載的比值。火災下，結構承受的荷載總體不變，而隨溫度升高，材料強度降低，構件的承載能力降低。當構件的荷載達到極限荷載，構件就達到了火災下的承載能力，構件就達到了耐火極限狀態，開始倒塌破壞，這時的耐火時間為耐火極限。荷載比越大，構件的耐火極限越小，荷載比是影響結構及構件耐火性能的主要因素之一。

　　(三)火災規模

　　火災規模包括火災溫度和火災持續時間。火災高溫是構件升溫的源泉，它通過對流和輻射兩種傳熱方式將熱量從建筑內空氣向構件傳遞。作為構件升溫的驅動者，火災規模對構件溫度場有明顯的影響。當火災高溫持續時間較長時，構件的升溫也較高。

　　(四)結構及構件溫度場

　　溫度越高，材料性能劣化越嚴重，結構及構件的溫度場是影響其耐火性能的主要因素之一。材料的熱工性能直接影響構件的升溫快慢，從而決定了火災下結構及構件的溫度場分布。

　　二、結構耐火性能分析的目的及判定標準

　　結構耐火性能分析的目的就是驗算結構和構件的耐火性能是否滿足現行規范要求。結構的耐火性能分析一般有兩種方法：第一種驗算結構和構件的耐火極限是否滿足規范的要求;第二種即在規范規定的耐火極限時的火災溫度場作用下，結構和構件的承載能力是否大于荷載效應組合。這兩種方法是等效的。

　　(一)耐火極限要求

　　構件的耐火極限要求應符合《建筑設計防火規范》GB50016、《高層民用建筑設計防火規范》GB50045及其他相關國家標準的要求一致。

　　(二)構件抗火極限狀態設計要求

　　《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)提出了基于計算的結構及構件抗火驗算方法。火災發生的概率很小，是一種偶然荷載工況。因此，火災下結構的驗算標準可放寬。根據《建筑鋼結構防火技術規范》(國標報批稿)，火災下只進行整體結構或構件的承載能力極限狀態的驗算，不需要正常使用極限狀態的驗算。構件的承載能力極限狀態包括以下幾種情況：

　　①軸心受力構件截面屈服;

　　②受彎構件產生足夠的塑性鉸而成為可變機構;

　　③構件整體喪失穩定;

　　④構件達到不適于繼續承載的變形。對于一般的建筑結構，可只驗算構件的承載能力，對于重要的建筑結構還要進行整體結構的承載能力驗算。

　　三、計算分析模型

　　抗火驗算時建筑結構耐火性能計算(一般也可稱為抗火驗算)一般有三種方法：第一種采取整體結構的計算模型;第二種采取子結構的計算模型;第三種采取單一構件計算模型。《建筑鋼結構防火技術規范》(CECS200:2006)和廣東省地方標準《建筑混凝土結構耐火設計技術規程》(DBJ/T 15-81-2011)規定，對于高度大于100m的高層建筑結構宜采用整體計算模型進行結構的抗火計算，單層和多層建筑結構可只進行構件的抗火驗算。

　　實際建筑結構中，構件總是和其他構件相互作用，獨立構件是不存在的。因此，研究構件的耐火性能需要考慮構件的邊界條件。歐洲規范規定，進行構件耐火性能分析時，構件的邊界條件可取受火前的邊界條件，并在受火過程中保持不變。

　　整體結構耐火性能評估模型是一種高度非線性分析，計算難度較高，需要專門機構和專業人員完成。