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摘要：钢材虽为非燃烧材料, 但不耐火, 高温下其强度和刚度都将迅速降低, 而火灾中升温迅速, 故无防火保护的钢构件在火灾中极易受到破坏。本文对钢结构抗火设计的必要性进行论述,对我国现行的钢结构抗火设计,进行了说明。
关键词： 钢结构 抗火 设计方法
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
前言
当温度达到600℃时,钢材基本上会丧失全部强度及刚度。钢材尽管属于非燃烧材料,但是受到温度的影响非常大。因此，当火灾发生的时候,钢结构将会被破坏，承载能力也将会随之降低,导致钢结构会在较短的时间内遭到破坏，钢结构的性能得不到充分的发挥，生命、财产的安全将得不到彻底的保障,我们之所以要进行结构的抗火设计，目的是为了让钢结构能够在短时间之内,以及平常的火灾当中,不至于因为温度而影响其结构性能。
一、钢结构特点
在厂房、飞机场等大跨度结构和高层建筑中，钢结构的应用非常广泛。在将钢结构与混合结构、钢筋混凝土结构进行对比后发现：钢结构的优点非常明显，空间大、自重轻、强度高、施工周期短和布局灵活。但钢结构的耐火性较差。未受防火保护的钢结构在火灾环境中升温很快，且随着温度的提高，钢材的强度和刚度均会下降。即便结构承受着室温下相对安全的荷载，也可能会在高温下迅速破壞。所以从工程实用的角度出发，必须对钢结构进行防火保护，即在钢构件上面覆盖一层有一定厚度的防火隔热层，利用防火隔热层较好的热工性能，来降低钢结构温度的提高速度，从而使钢结构温度达到承载极限的时间（即耐火时间）延长。且建筑等级的不同，结构构件的不同，耐火极限也是不相同的。钢结构的抗火设计目的是为了能够确定防火保护层厚度并通过计算分析定量，使结构构件的实际耐火时间高于规定的耐火极限。随着人们对钢结构的抗火能力计算与研究设计理论的不断深入，钢结构的抗火设计方法在不断发展。钢结构的反应分析相的困难点的有以下几个因素：
1温度的变化影响材料的非线性本构关系；
2受火空间的空气温度会随着时间进行变化，并与受火房间的形状尺寸、开口系数、热工性能和火灾荷载密度有关；
3构件中的温度分布表现为非线性的特点；
4随温度变化的附加应力引起的未受火结构部分对荷载和变形以及对受火结构部分的影响和约束；
5结构反应受到热渗透的一定影响等。
二、钢结构的抗火设计的发展
现代钢结构的抗火性能设计主要有以下四种方法：
1依靠计算的结构抗火设计。
2考虑了火灾随机性的结构抗火设计。
3依靠试验的构件抗火设计。
4依靠计算的构件抗火设计。
在进行结构抗火设计的时候，需要根据构件的耐火时间要求，选取适当的防火保护措施。通过不相同类型的构件（主要指柱、梁）在规定的荷载分布及标准的升温条件下的耐火试验，确定需要采取不相同的防火措施（如不同的涂料厚度或者不同的防火涂料）后的耐火时间。
上个世纪70年代之前，钢结构抗火的设计都是以这种试验为主要依据。这种依靠试验的抗火设计简单直观、易于应用，但是由于试验并不能完全准确的模拟实际构件在结构中的受力情况和端部约束，因此，难以分析这些因素对构件耐火时间的影响。
从20世纪70年代之后，各国考虑荷载的分布与大小及构件端部约束对构件耐火的时间有着一定的影响，对结构抗火设计方法转为依靠构件计算的现代方法进行了大量计算分析。且目前有的国家的钢结构的设计规范都采用了这种方法。依靠计算的抗火设计是以防止整体的结构倒塌为目的。尤其是超静定的钢结构体系，当结构的局部或着少数的构件发生破坏时，由于结构的内力重分布，整体的结构仍将具有一定承载的能力。依靠计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计的方法。考虑到火灾和空气升温的随机性，依靠火灾的随机性的结构抗火的设计方法以结构的概率的可靠度为目标。这方面的研究涉及到火灾学等其他的相关学科，学界认为这将是结构抗火设计必然的发展趋势。目前的试验大都用来检验理论研究的结果，以上依靠试验的抗火设计的四种方法基本上已经被淘汰了。依靠计算的构件抗火设计的研究目前已经具有一定的工程应用的实践及理论方面的成果，但钢构件在各种条件下的理论及试验的研究还在进一步发展当中。依靠计算的结构抗火设计方法是以通过高温下的钢结构整体反应为目标的方法，目前这种设计的方法是钢结构抗火的设计总体发展方向。考虑火灾的随机性结构的抗火设计的方法是新的研究课题，研究和工程实践方面目前还很少。
三、我国钢结构的抗火设计方法
依靠计算的钢结构的抗火设计方法为我国第一部的钢结构抗火设计的标准《上海市钢结构防火技术规程》(报批稿)所采用,它有效的克服了依靠试验中钢结构的抗火设计所存在的问题,其计算的过程如下:
1设定一定的防火被覆厚度,采取确定的防火措施。
2确定高温下的钢材料参数,通过计算结构中该构件的温度及外荷载作用下的内力。
3 计算构件在一定的防火措施及耐火极限条件下内部的温度。
4进行荷载的效应组合
式中
γG ———永久荷载的分项系数,取1. 0 ;
γQi ———楼面或屋面的活载分项系数,取0. 7 ;
γw ———风载的分项系数,取0 或0. 3 ,选不利情况;
γF ———温度效应的分项系数,取1. 0 ;
S ———荷载的组合效应;
Gk ———永久荷载的标准值;
Qik ———楼面或屋面的活标准值;
Wk ———风载的标准值;
△T ———构件或结构的温度变化(考虑温度的效应) ;
CG 、CQi 、CW 、CF ———永久的荷载、楼面或屋面活载、风载和温度的效应系数。
5根据构件及受载的类型,进行构件的耐火承载力极限状态的验算。验算要求:S ≤R式中,R 为按3确定的温度条件下的构件的极限承载力。
6如果设定的防火被覆厚度过大或过小,可将防火被覆的厚度进行调整,重复上述1—5。
四、我国钢结构的抗火设计需要克服的问题
我国的钢结构设计才刚开始发展,而国外钢结构的抗火设计已发展了几十年了。当中需要展开大量研究工作来接收，消化。需要投入更多的精力去研究，主要有这几个方面:
1在火灾中钢结构的整体研究。
如果是以防止整体结构的倒塌为目标的结构抗火设计,那么依靠整体结构的承载能力极限状态而进行的抗火设计相对来说更加合理。通常的结构局部或者少数的构件被破坏时,会引起结构内力重的分布,但是结构仍然具有一定的承载的能力。结构主要的功能是作为整体来承受荷载,火灾下结构的单个构件的破坏,并不一定意味着整体结构的破坏,特别是对于钢结构。
2钢结构的构件在重力荷载、温度的共同影响之下的破坏机理和承载力计算模型的研究。
3钢结构的防火涂料(板材)的热性能和构件在给定的临界温度下的保护层厚度的确定方法的研究。
虽然我国开发了许多种类的钢结构的防火材料,但是由于采用的标准耐火试验来确定其性能,还没有进行系统的研究这些材料的热参数会随温度升高的变化规律以及计算保护层的厚度的方法。
4火灾荷载分布统计研究。
我国的研究需要结合我国实际情况的火灾荷载数据。国外许多国家都进行过火灾荷载分布统计的研究,并公布了用于相关设计的火灾荷载，而我国这方面还比较落后。
结束语
由于火灾的发生具有随机的性质, 且火灾发生后空气升温的变异性比较大,要实现结构抗火的概率的可靠度设计, 就必须要考虑到火灾及空气升温的随机性,这是结构抗火设计必然的发展方向。
参考文献
[1] 徐莉,郭兆儒.浅谈钢结构抗火设计[J]. 漯河职业技术学院学报. 2004(02)
[2] 王羡农.钢结构抗火设计综述[J]. 煤炭工程. 2001(06)
[3] 霍月平.钢结构的抗火设计[J]. 建筑安全. 2003(08)
[4] 杜娟,魏德敏.钢结构抗火研究[J]. 科技情报开发与经济. 2003(09)
关键词： 钢结构 抗火 设计方法
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
前言
当温度达到600℃时,钢材基本上会丧失全部强度及刚度。钢材尽管属于非燃烧材料,但是受到温度的影响非常大。因此，当火灾发生的时候,钢结构将会被破坏，承载能力也将会随之降低,导致钢结构会在较短的时间内遭到破坏，钢结构的性能得不到充分的发挥，生命、财产的安全将得不到彻底的保障,我们之所以要进行结构的抗火设计，目的是为了让钢结构能够在短时间之内,以及平常的火灾当中,不至于因为温度而影响其结构性能。
一、钢结构特点
在厂房、飞机场等大跨度结构和高层建筑中，钢结构的应用非常广泛。在将钢结构与混合结构、钢筋混凝土结构进行对比后发现：钢结构的优点非常明显，空间大、自重轻、强度高、施工周期短和布局灵活。但钢结构的耐火性较差。未受防火保护的钢结构在火灾环境中升温很快，且随着温度的提高，钢材的强度和刚度均会下降。即便结构承受着室温下相对安全的荷载，也可能会在高温下迅速破壞。所以从工程实用的角度出发，必须对钢结构进行防火保护，即在钢构件上面覆盖一层有一定厚度的防火隔热层，利用防火隔热层较好的热工性能，来降低钢结构温度的提高速度，从而使钢结构温度达到承载极限的时间（即耐火时间）延长。且建筑等级的不同，结构构件的不同，耐火极限也是不相同的。钢结构的抗火设计目的是为了能够确定防火保护层厚度并通过计算分析定量，使结构构件的实际耐火时间高于规定的耐火极限。随着人们对钢结构的抗火能力计算与研究设计理论的不断深入，钢结构的抗火设计方法在不断发展。钢结构的反应分析相的困难点的有以下几个因素：
1温度的变化影响材料的非线性本构关系；
2受火空间的空气温度会随着时间进行变化，并与受火房间的形状尺寸、开口系数、热工性能和火灾荷载密度有关；
3构件中的温度分布表现为非线性的特点；
4随温度变化的附加应力引起的未受火结构部分对荷载和变形以及对受火结构部分的影响和约束；
5结构反应受到热渗透的一定影响等。
二、钢结构的抗火设计的发展
现代钢结构的抗火性能设计主要有以下四种方法：
1依靠计算的结构抗火设计。
2考虑了火灾随机性的结构抗火设计。
3依靠试验的构件抗火设计。
4依靠计算的构件抗火设计。
在进行结构抗火设计的时候，需要根据构件的耐火时间要求，选取适当的防火保护措施。通过不相同类型的构件（主要指柱、梁）在规定的荷载分布及标准的升温条件下的耐火试验，确定需要采取不相同的防火措施（如不同的涂料厚度或者不同的防火涂料）后的耐火时间。
上个世纪70年代之前，钢结构抗火的设计都是以这种试验为主要依据。这种依靠试验的抗火设计简单直观、易于应用，但是由于试验并不能完全准确的模拟实际构件在结构中的受力情况和端部约束，因此，难以分析这些因素对构件耐火时间的影响。
从20世纪70年代之后，各国考虑荷载的分布与大小及构件端部约束对构件耐火的时间有着一定的影响，对结构抗火设计方法转为依靠构件计算的现代方法进行了大量计算分析。且目前有的国家的钢结构的设计规范都采用了这种方法。依靠计算的抗火设计是以防止整体的结构倒塌为目的。尤其是超静定的钢结构体系，当结构的局部或着少数的构件发生破坏时，由于结构的内力重分布，整体的结构仍将具有一定承载的能力。依靠计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计的方法。考虑到火灾和空气升温的随机性，依靠火灾的随机性的结构抗火的设计方法以结构的概率的可靠度为目标。这方面的研究涉及到火灾学等其他的相关学科，学界认为这将是结构抗火设计必然的发展趋势。目前的试验大都用来检验理论研究的结果，以上依靠试验的抗火设计的四种方法基本上已经被淘汰了。依靠计算的构件抗火设计的研究目前已经具有一定的工程应用的实践及理论方面的成果，但钢构件在各种条件下的理论及试验的研究还在进一步发展当中。依靠计算的结构抗火设计方法是以通过高温下的钢结构整体反应为目标的方法，目前这种设计的方法是钢结构抗火的设计总体发展方向。考虑火灾的随机性结构的抗火设计的方法是新的研究课题，研究和工程实践方面目前还很少。
三、我国钢结构的抗火设计方法
依靠计算的钢结构的抗火设计方法为我国第一部的钢结构抗火设计的标准《上海市钢结构防火技术规程》(报批稿)所采用,它有效的克服了依靠试验中钢结构的抗火设计所存在的问题,其计算的过程如下:
1设定一定的防火被覆厚度,采取确定的防火措施。
2确定高温下的钢材料参数,通过计算结构中该构件的温度及外荷载作用下的内力。
3 计算构件在一定的防火措施及耐火极限条件下内部的温度。
4进行荷载的效应组合
式中
γG ———永久荷载的分项系数,取1. 0 ;
γQi ———楼面或屋面的活载分项系数,取0. 7 ;
γw ———风载的分项系数,取0 或0. 3 ,选不利情况;
γF ———温度效应的分项系数,取1. 0 ;
S ———荷载的组合效应;
Gk ———永久荷载的标准值;
Qik ———楼面或屋面的活标准值;
Wk ———风载的标准值;
△T ———构件或结构的温度变化(考虑温度的效应) ;
CG 、CQi 、CW 、CF ———永久的荷载、楼面或屋面活载、风载和温度的效应系数。
5根据构件及受载的类型,进行构件的耐火承载力极限状态的验算。验算要求:S ≤R式中,R 为按3确定的温度条件下的构件的极限承载力。
6如果设定的防火被覆厚度过大或过小,可将防火被覆的厚度进行调整,重复上述1—5。
四、我国钢结构的抗火设计需要克服的问题
我国的钢结构设计才刚开始发展,而国外钢结构的抗火设计已发展了几十年了。当中需要展开大量研究工作来接收，消化。需要投入更多的精力去研究，主要有这几个方面:
1在火灾中钢结构的整体研究。
如果是以防止整体结构的倒塌为目标的结构抗火设计,那么依靠整体结构的承载能力极限状态而进行的抗火设计相对来说更加合理。通常的结构局部或者少数的构件被破坏时,会引起结构内力重的分布,但是结构仍然具有一定的承载的能力。结构主要的功能是作为整体来承受荷载,火灾下结构的单个构件的破坏,并不一定意味着整体结构的破坏,特别是对于钢结构。
2钢结构的构件在重力荷载、温度的共同影响之下的破坏机理和承载力计算模型的研究。
3钢结构的防火涂料(板材)的热性能和构件在给定的临界温度下的保护层厚度的确定方法的研究。
虽然我国开发了许多种类的钢结构的防火材料,但是由于采用的标准耐火试验来确定其性能,还没有进行系统的研究这些材料的热参数会随温度升高的变化规律以及计算保护层的厚度的方法。
4火灾荷载分布统计研究。
我国的研究需要结合我国实际情况的火灾荷载数据。国外许多国家都进行过火灾荷载分布统计的研究,并公布了用于相关设计的火灾荷载，而我国这方面还比较落后。
结束语
由于火灾的发生具有随机的性质, 且火灾发生后空气升温的变异性比较大,要实现结构抗火的概率的可靠度设计, 就必须要考虑到火灾及空气升温的随机性,这是结构抗火设计必然的发展方向。
参考文献
[1] 徐莉,郭兆儒.浅谈钢结构抗火设计[J]. 漯河职业技术学院学报. 2004(02)
[2] 王羡农.钢结构抗火设计综述[J]. 煤炭工程. 2001(06)
[3] 霍月平.钢结构的抗火设计[J]. 建筑安全. 2003(08)
[4] 杜娟,魏德敏.钢结构抗火研究[J]. 科技情报开发与经济. 2003(09)