关于建筑性能化防火设计研究

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摘要：本文以建筑性能化防火设计为切入点，对结构耐火性能分析的目的、方法进行总结；对影响结构耐火性能的主要因素、结构及构件分析模型的选取进行明确；对结构耐火性能分析的温度场建立、结构材料温度性能确定以及结构整体和单个构件的抗火验算等步骤做了简要概括，希望对结构专业从业人员在建筑性能化防火设计中理解和解决问题的能力方面有所帮助。

关键词：性能化；防火设计；结构；耐火性能分析

20世纪70年代“性能化防火设计”的概念被提出。性能化防火设计是指根据工程使用功能和消防安全要求，运用消防安全工程学原理，采用先进适用的计算分析工具和方法，通过对建筑环境中设定火灾场景的火灾风险量化和分析进而对建设工程消防设计、方案进行综合分析评估，判断建筑抵御火灾的性能指标是否满足预设的消防安全目标，从而优化消防设计方案的工作方法。结构耐火性能分析是建筑性能化防火设计的主要内容之一。本文详细梳理结构耐火性能分析的一般实施过程，通过对各阶段的把握和准确理解，提高结构专业从业人员对建筑性能化防火设计的理解和解决问题的能力。

1结构耐火性能分析要点

1.1明确目的。结构耐火性能分析的首要目的即为验算结构和构件的耐火性能是否满足现行规范要求。通常来讲，建筑方案的确定是以消防安全设计符合规范为前提的，建筑性能化防火设计也不例外。与传统设计方法不同的是，性能化防火设计对现行规范难以解决的消防设计问题给予了科学的延伸，但这并不意味着性能化防火设计突破了规范，而是以等同于现行规范的安全水平为前提的。因此，无论是传统的建筑防火设计方法还是性能化防火设计，结构耐火性能分析的目的都是不变的。1.2明确方法。从建筑和结构两方面分析确定，我们通常采用两种结构耐火性能分析的方法。第一种方法，验算结构和构件的耐火极限是否满足规范的要求。结构和构件的耐火极限要求在《建筑设计防火规范》GB50016和其他相关的国家标准中均有严格且明确的规定。通过对耐火极限的限定，在建筑专业考量上已经满足各方面防火安全的要求，因而等同于结构的耐火性能满足设计要求。第二种方法，规范规定的耐火极限的火灾温度场作用下，结构和构件的承载能力是否大于荷载效应组合。目前，相关规范的编制过程中也提出了基于计算的结构及构件抗火验算方法。将火灾发生的概率数字化，定义为偶然荷载工况。因此，放宽结构验算标准，即火灾下只验算结构或构件的承载力极限状态，对正常使用极限状态不做验算要求。承载力极限状态一般包括：1)轴心受力构件截面屈服；2)受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构；3)构件整体丧失稳定；4)构件达到不适于继续承载的变形[1]。一般的建筑结构仅需验算构件的承载能力，而对于比较重要的建筑结构还要进行整体结构的承载能力验算。从安全和可靠性上考虑，以上两种方法是等效的。1.3明确影响因素。1.3.1结构的类型。钢结构的耐火性能较差，需要对钢构件采取一定的保护措施；钢筋混凝土结构比单纯的钢结构耐火性能有所提高，处于被包裹状态下的钢筋会得到有效保护，从而提高结构的耐火性能；钢—混凝土组合结构是将型钢埋入钢筋混凝土结构，型钢得到一定厚度的混凝土包裹后，大大提高了材料的耐火性能，因而此种结构形式是目前为止耐火性能最好的结构类型之一。1.3.2结构的荷载比。这里所谓的荷载比指的是结构承受荷载与其所能承受的极限荷载的比值。对于结构材料，随着温度的升高，其承载能力会逐步降低。对于荷载比较大的结构而言，伴随火场温度的升高，这种材料受力缺陷同样会被温度放大，因而荷载比越大，构件的耐火极限越小。1.3.3结构所处的火灾规模。火灾规模包括火灾温度和火灾持续时间。火灾温度是构件升温的原动力，它主要通过对流和辐射两种方式将热量向构件传递。作为构件升温的驱动者，火灾规模对构件温度场有明显的影响。与此同时，温度越高，结构材料性能劣化越严重[1]。1.4明确分析模型的选取。综合国内外普遍运用的结构耐火性能计算方法，一般包括三种方法：1)整体结构计算模型；2)子结构计算模型；3)单一构件计算模型。我国在关于钢结构防火技术方面也做出了尝试，相关规范也在不断完善之中。关于钢结构的耐火性能计算（也可称为抗火验算）规范大多以结构的跨度、是否采用预应力方式等参数做出规定，重要性结构要求采用整体结构计算模型补充验算；一般结构的相对重要部分可采用子结构计算模型，并要求考虑相应的边界条件予以限定；单一构件计算模型适用于对结构局部体系的某一处构件抗火验算，是结构耐火性能计算的基本方法。

2结构耐火性能分析步骤

结构耐火性能分析包括温度场分析和温度场下结构的安全性分析。建筑火灾模型和建筑材料的热工参数是进行结构温度场分析的基础资料。同样，高温下建筑材料的力学性能是建筑结构高温下安全性分析的基础资料。同时，进行建筑结构高温下安全性分析还需要确定火灾时的荷载。2.1结构温度场的建立。确定建筑火灾温度场需要火灾模型。《建筑设计防火规范》GB50016提出可采用ISO834标准升温曲线作为一般建筑室内火灾的火灾模型。实际中，受建筑室内可燃物数量和分布、建筑空间大小及通风形式等因素的影响，建筑火灾千差万别，为了更加准确的确定火灾温度场，也可采用火灾模拟软件对建筑火灾进行数值模拟。火灾模型确定之后，即可对结构及构件进行传热分析，确定火灾作用下建筑结构及构件的温度。方法及相应选取的参数本文不作详述。2.2结构材料温度性能确定。结构材料的高温性能参数是直接影响耐火性能计算的重要参数。实际操作中，通常以传统材料的性能指标通过温度性能折减系数的方式加以表达。不同材料的温度折减系数，需要通过大量的试验数据推导、计算模拟分析等手段获得，并在实践检验过程中不断修正。2.3结构火灾状态下荷载效应组合。火灾作用工况是一种偶然荷载工况，按照《建筑结构荷载规范》的相关要求按偶然设计状况的作用效应组合确定，火灾下结构的温度标准值采用分项系数加以调整。2.4结构的抗火验算。不同结构形式的抗火验算略有不同，一般方法归纳为：1）设定结构初期状态参数；2）计算结构在满足要求的温度场下承受预期荷载的内力组合；3）计算结构温度场下承载力；4）对比计算结果是否满足，如不满足则调整初期状态参数重复以上步骤，直至满足要求。需要说明的是，基于性能化防火设计的要求，对于一些体型复杂，重要性高的建筑结构，需要考虑温度场下材料本构关系的变化、结构的内力重分布、整体结构的倒塌破坏过程，这就需要对火灾下建筑结构的行为进行准确确定。结构耐火性能分析是个复杂过程，本文仅针对建筑性能化防火设计所涉及到的有关方面做了一些介绍和概括，文中某些提法或理解也不免存在偏差，希望能够得到相关专业从业人员的批评和指正。

参考文献：

［1］刘乐(导师:查晓雄).常高温水平荷载作用下集装箱轻钢结构力学性能研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文.2013-06-01.

作者:张铁壮 单位:天津渤化工程有限公司