關(guān)于鋼—混組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

1、<p>　　關(guān)于鋼—混組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考</p><p>　　摘 要：綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火研究的部分試驗(yàn)結(jié)果和理論研究成果，總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的方法，并與普通的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，提出了一些鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的建議。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；抗火設(shè)計(jì) </p><p&g

2、t;　　中圖分類號(hào)： TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　近年來，由于鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便利等優(yōu)越性能，得到越來越廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)和鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)通常具有裸露的受力鋼構(gòu)件，因而鋼—混凝土結(jié)構(gòu)也和鋼結(jié)構(gòu)一樣，抗火設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 </p>

3、;<p>　　鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)由鋼—混凝土組合構(gòu)件組成。鋼—混凝土組合構(gòu)件是指由鋼和混凝土兩種不同材料組成一個(gè)整體而共同工作的構(gòu)件。主要包括壓型鋼板混凝土組合樓板、鋼—混凝土組合梁、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)等。鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)主要是對(duì)其中裸露的鋼構(gòu)件進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)，它與鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)有相同之處，又有所區(qū)別。 </p><p>　　1、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)

4、方法 </p><p>　　1.1抗火設(shè)計(jì)的基本要求 </p><p>　　組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基本要求是使組合結(jié)構(gòu)的鋼構(gòu)件耐火時(shí)間不能低于一定的數(shù)值，即在小于該數(shù)值的時(shí)間范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)不被破壞，使其抗火性能滿足建筑對(duì)構(gòu)件耐火極限的要求，具體應(yīng)滿足下列三種條件之一。 </p><p>　　1.1.1在規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力R不應(yīng)小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng)S，

5、即R≥S； </p><p>　　1.1.2在各種荷載效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間t不應(yīng)小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間〔t〕，即t≥〔t〕。 </p><p>　　1.1.3在火災(zāi)狀況下，結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)的內(nèi)部臨界溫度T不應(yīng)小于在規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度〔T〕，即T≥〔T〕。 </p><p>　　1.2抗火設(shè)計(jì)的方法 </p><p>

6、　　鋼構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法是采用耐火試驗(yàn)法。其方法是首先確定建筑物的耐火等級(jí)，然后根據(jù)耐火等級(jí)確定受力構(gòu)件的耐火極限，再確定受力構(gòu)件的防火保護(hù)措施和防火構(gòu)造方法，通過標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)核準(zhǔn)其耐火極限值，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足抗火要求。 </p><p>　　1.2.1 耐火極限的確定方法 </p><p>　　在進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定建筑物的耐火等級(jí)，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限要求。一般建筑物的耐

7、火等級(jí)可按規(guī)范的相關(guān)規(guī)定確定。在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限要求時(shí)，應(yīng)考慮下列因素（3）：（1）建筑物的耐火等級(jí)越高，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限要求也越高；（2）越重要的構(gòu)件，耐火極限要求應(yīng)越高，一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)的豎向受力構(gòu)件（如：柱等）的重要性比梁重要，而梁又比樓板重要；（3）如在高層建筑中，建筑下部的構(gòu)件比建筑上部的構(gòu)件更重要。 </p><p>　　1.2.2組合結(jié)構(gòu)的一般抗火措施 </p><p

8、>　　鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，通常是采取措施提高鋼結(jié)構(gòu)件的抗火性能，然后用標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)核準(zhǔn)其耐火極限值，使鋼構(gòu)件達(dá)到規(guī)定的耐火極限要求。常用的提高鋼構(gòu)件抗火性能的措施有：（1）防火涂料法。將具有一定厚度的防火涂料直接噴涂在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。防火涂料主要有兩類：涂層厚度8～50㎜，料狀表面，密度較小，耐火極限1h～3h的為厚涂型防火隔熱材料；涂層厚度3～7㎜，遇火膨脹增厚，耐火極限0.15h～2h的為薄涂型防火隔熱材料。噴涂法造價(jià)較低

9、，操作簡(jiǎn)便，施工速度快，不受鋼構(gòu)件幾何形狀限制，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，但是構(gòu)件表面不平整，影響美觀。（2）屏蔽法。將防火材料或防火磚設(shè)置于構(gòu)件的外圍，將構(gòu)件與火焰隔離。常見做法是在鋼構(gòu)件的迎火面設(shè)置阻火屏障，將構(gòu)件與火焰隔開。如：在鋼梁下做防火吊頂，以及在鋼外柱的內(nèi)側(cè)設(shè)置一定寬度的防火板等等。這種方法美觀，無污染，但施工速度較慢，適用于外露的構(gòu)件。（3）實(shí)心包裹法。將鋼構(gòu)件澆注到混凝土中。（4）膨脹覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴涂

10、、抹、刷在經(jīng)過處理的構(gòu)件表面。抗火極限最高可達(dá)2h。覆蓋法施工容易，但不適用于潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)。（5）采用耐火輕質(zhì)板材</p><p>　　對(duì)于鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)其裸露鋼構(gòu)件的不同特點(diǎn)，可采用不同的方法進(jìn)行抗火防護(hù)。（1）鋼管混凝土結(jié)構(gòu)：可采用防火涂料法、屏蔽法、包裹法等對(duì)裸露的鋼管進(jìn)行防護(hù)；（2）鋼—混凝土組合梁：可采用防火涂料法、做防火吊頂進(jìn)行單面屏蔽等方法對(duì)鋼梁進(jìn)行抗火防護(hù)；（3）鋼骨混

11、凝土結(jié)構(gòu)4）：由于鋼骨包含于混凝土內(nèi)部，因此可按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)；（4）壓型鋼板混凝土組合板（5）：和鋼—混凝土組合梁一樣，可采用防火涂料法、防火吊頂單面屏蔽法等等抗火防護(hù)方法；（5）外包鋼混凝土結(jié)構(gòu)：外包鋼構(gòu)件的裸露面積較小，因此通常采用防火涂料法和膨脹漆覆蓋法或包裹法進(jìn)行防護(hù)。 </p><p>　　2、耐火性能的比較 </p><p>　　研究結(jié)果表明，在相同的條件下

12、，鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能并得到試驗(yàn)的驗(yàn)證。下面以鋼管混凝土柱和壓型鋼板混凝土組合樓板為例，將鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火性能與普通鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能進(jìn)行比較。 </p><p>　　2.1鋼管混凝土柱與普通鋼柱的比較 </p><p>　　試驗(yàn)研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)荷載作用下的鋼管混凝土柱在遭受火災(zāi)時(shí)比普通鋼柱具有更好的耐火性能（6-8）。文獻(xiàn)（9，10）在此基礎(chǔ)上，提出圓

13、鋼管混凝土柱和方鋼管混凝土柱耐火極限的理論計(jì)算模型，文獻(xiàn)（11）對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。 </p><p>　　結(jié)果顯示：1）在相同耐火極限要求的條件下，圓鋼管混凝土柱的防火保護(hù)層厚度隨構(gòu)件直徑的增大和長(zhǎng)細(xì)比的減小呈降低的趨勢(shì)。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大（≥100）且截面直徑較小（≤500mm）的情況，當(dāng)要求耐火極限小于2h時(shí)，鋼管混凝土柱的防火保護(hù)層厚度和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045-2005）中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)

14、柱規(guī)定的保護(hù)層厚度接近。對(duì)于其它情況，相同耐火極限條件下，圓鋼管混凝土柱所需的防火保護(hù)層厚度則遠(yuǎn)小于普通鋼結(jié)構(gòu)住的防火保護(hù)層厚度。 </p><p>　　2）在相同耐火極限要求的條件下，方鋼管混凝土柱的保護(hù)層厚度隨構(gòu)件截面尺寸的增大和長(zhǎng)細(xì)比的減小呈降低的趨勢(shì)。同樣，相同耐火極限條件下，方鋼管混凝土柱所需的防火保護(hù)層厚度也遠(yuǎn)小于相對(duì)應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)柱的防火保護(hù)層厚度。 </p><p>　　2.2

15、組合樓板與鋼結(jié)構(gòu)樓板的比較 </p><p>　　經(jīng)過分析研究，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)壓型鋼板混凝土組合樓板的耐火性能，有以下結(jié)論（12）： </p><p>　　2.2.1壓型鋼板-混凝土組合樓板的耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)； </p><p>　　2.2.2隨著樓板混凝土厚度的增加、混凝土強(qiáng)度的提高，耐火極限提高。 </p><p>　　2.2

16、.3隨著樓板含鋼率的增加，耐火極限降低。 </p><p>　　2.3 組合結(jié)構(gòu)耐火性能較優(yōu)的原因 </p><p>　　鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)耐火性能一般優(yōu)于普通鋼結(jié)構(gòu)，其原因有幾方面： </p><p>　　2.3.1混凝土對(duì)鋼構(gòu)件的保護(hù)作用。由于鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是鋼和混凝土組合在一起共同作用的，因而其裸露鋼構(gòu)件的面積通常比相對(duì)應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)少，從而使鋼構(gòu)件受火面積減

17、小，提高抗火性能； </p><p>　　2.3.2由于混凝土的吸熱作用，使鋼構(gòu)件在火災(zāi)時(shí)升溫較慢，相應(yīng)提高耐火性能； </p><p>　　2.3.3由于混凝土對(duì)鋼構(gòu)件的支撐作用，使得高溫下屈服強(qiáng)度降低的剛度不至于迅速降低，鋼構(gòu)件不至于很快破壞。 </p><p><b>　　3、結(jié)論與建議 </b></p><p>

18、　　抗火設(shè)計(jì)是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，必須因地制宜地選擇合適的防火材料和采取有效的抗火防護(hù)措施，防止火災(zāi)時(shí)組合結(jié)構(gòu)中裸露的受力鋼構(gòu)件遭受破壞，從而保證整體結(jié)構(gòu)的安全。 </p><p><b>　　3.1結(jié)論 </b></p><p>　　通過對(duì)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的探討及其與普通鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的比較，可以得出以下結(jié)論： </p&

19、gt;<p>　　3.1.1鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)屬于鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的范疇，其抗火設(shè)計(jì)的方法以鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法為依據(jù)和參考，但是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火性能優(yōu)于普通鋼結(jié)構(gòu)； </p><p>　　3.1.2鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火防護(hù)措施應(yīng)根據(jù)其裸露鋼構(gòu)件的特點(diǎn)因地制宜確定，常用的抗火防護(hù)措施有防火涂料法、屏蔽法和包裹防護(hù)法等； </p><p>　　3.1.3單純采

20、用耐火試驗(yàn)法進(jìn)行鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)，由于無法準(zhǔn)確模擬不同構(gòu)件截面、不同約束條件、不同升溫溫度等各種情況，導(dǎo)致抗火設(shè)計(jì)時(shí)趨于保守，并需要較高的試驗(yàn)費(fèi)用。 </p><p><b>　　3.2建議 </b></p><p>　　根據(jù)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及其特點(diǎn)，本人提出鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議： </p><p>

21、　　3.2.1鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮構(gòu)件的特點(diǎn)，確定不同的耐火極限； </p><p>　　3.2.2應(yīng)重視采用數(shù)值模擬分析與耐火試驗(yàn)法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，以克服單純采用耐火試驗(yàn)法的缺點(diǎn)； </p><p>　　3.2.3根據(jù)鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火性能優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。如：增大混凝土部分的截面尺寸，降低組合柱的長(zhǎng)細(xì)比，等等； </p>

22、<p>　　3.2.4采用優(yōu)質(zhì)耐火鋼材，提高構(gòu)件的抗火性能。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]張樹平，于安林。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防火保護(hù)對(duì)策。西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（3）； </p><p>　　[2]李勇。對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)防火體系兩個(gè)影響的分析。西部探礦工程，2004（6）； </p