预应力钢结构抗火研究现状--《工业建筑》2014年S1期
预应力钢结构抗火研究现状
【摘要】：预应力技术与现代钢结构的完美结合,形成了全新的现代预应力空间钢结构体系,这种体系完美地解决了大跨空间建筑对结构体系的要求,在世界各地的体育场馆、展览馆等建筑物中得到广泛应用。但该类建筑功能复杂,火灾隐患大,火灾时更易引起人员伤亡,且火灾作用下钢材力学性能退化、预应力筋松弛,造成正常使用荷载下建筑结构的损伤、破坏甚至倒塌,因此对预应力钢结构进行抗火性能的研究尤为重要。为此系统论述了预应力钢结构抗火研究的重要性和研究现状,同时指出了其中存在的某些未完善的问题和进一步的研究方向。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TU394;TU352.5【正文快照】：
1概述预应力钢结构是在结构上施加正常使用荷载之前,在结构上用特定的方法预加初应力,使结构构件控制截面产生的应力与设计荷载产生的应力符号相反,在结构中产生有利的应力分布,以提高构件或结构的承载能力,减小其结构变形,从而达到节约钢材,降低工程造价的目的。在钢结构中引
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　　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 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 19min倒塌
　　长春卷烟厂钢木屋架 倒塌
　　北京友谊宾馆剧场钢木屋架min倒塌
　　唐山市棉纺织厂钢梁 20min倒塌
　　北京高压气瓶厂钢屋架 倒塌
　　江油电厂俱乐部钢屋架 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。
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如何计算钢结构防火涂料工程量？
　　如何计算钢结构防火涂料工程量？按的经验，钢结构防火涂料工程量可以按吨位计算，也可以按展开面积计算。参考下面的系数表，再结合一定的工程经验值，可以很方便的计算出钢结构油漆用量。
　　钢结构油漆、除锈工程量系数表：
支柱、框架
梯子、平台
二合一檩条
溜槽防溅板
料车坑防水层
管道、烟道
热风炉外壳
其他工业炉
其他工业窑
两侧操作台
环形加热炉
缓冷炉、化铁炉
其他工艺结构：
箱式吊车梁&
单轨吊车梁
解体漏斗、溜槽
箱形、屋架梁
操作平台（轻型）
操作平台（重型）
　　备注：
　　用以上系数乘58m²/t计算出每吨钢结构的展开面积，例如：操作平台(重型)刷油面积=58m²/t*0.31=18m²/t。& &&参考普通油漆用量：0.12-0.16kg/m².遍；厚浆型油漆：0.16-0.2kg/m².遍，就可以计算出钢结构油漆用量。
　　湖北大地云龙钢结构公司整理。
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上一条：&&下一条：钢结构抗火研究进展 - 《中国学术期刊（网络版）》
《中国学术期刊（网络版）》
钢结构抗火研究进展
【Author】
WEI Dong1,SUN Xiu-shan2,LIU Ying-hua2,ZHU Jian-ming1(1.Department of Civil Engineering,Beihang University,Beijing .Department of Engineering Mechanics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
【摘要】 近二十年来,钢结构的抗火研究一直是建筑安全领域的研究重点,吸引了各国学者的广泛关注和深入研究,并取得了大量的成果。本文简要地介绍了建筑钢结构抗火研究的重要性和意义,对钢结构火灾中的反应研究进行了较为系统的总结,同时指出了其中存在的某些未完善的问题和进一步的研究方向。
【关键词】 ；
国家重点基础研究专项经费()
【分类号】TU391
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