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钢结构防火设计分析

发表时间：2020/8/4 来源：《基层建设》2020年第10期作者：王勇

[导读] 摘要：钢结构作为一种强度高、重量轻、施工速度快的结构形式在现在建筑中广泛使用。

        中铁上海设计院集团有限公司南京设计院南京市 210000
        摘要：钢结构作为一种强度高、重量轻、施工速度快的结构形式在现在建筑中广泛使用。但钢结构一旦发生火灾，将可能造成巨大的人员伤害和财产损失。钢结构的致命弱点是不耐火，发生火灾时高温的影响将使钢材的强度迅速降低不能保持强度。钢结构在高温下，受力性能会发生很大变化，当温度为400度时，强度降低到正常使用的一半，温度继续增高到650度时，钢结构基本丧失强度，所以钢结构不采用保护措施，很容易造成倒塌；
        关键词：钢结构涂装；防火计算；防火保护层厚度
        1 项目概况
        南京市江北新区大新小学位于南京市浦口区，总用地面积64658平方米，可接纳学生2700名，教职工143名。主要使用功能分为教室、办公、礼堂及配套建筑组成，详见图1.1项目鸟瞰图；本次研究对象为教学礼堂，位于多功能教室的二层，平面尺寸32.4mx29.0m，详见图1.2建筑功能平面图，结构形式为大跨度钢梁+组合楼板。
        依据《建筑结构可靠度设计统一标准》本工程结构安全等级为一级，主体结构使用年限为50年；根据《建筑设计防火规范》，建筑物耐火等级二级，钢梁的耐火极限为1.5小时，基本风压为0.40KN/m2，屋面恒载4.5KN/m2，屋面活荷载0.5KN/m2，基本雪压0.75KN/m2。

图1.1 项目鸟瞰图

图1.2 建筑功能平面图

图1.3 建筑立面图

        图1.4 建筑剖面图
        2 结构计算及计算简图
        根据结构的受力特点，在火灾计算中选取主受力跨钢梁进行防火验算，计算模型见下图，深色部分为钢梁；

图2.1 模型计算简图

        图2.2 单跨模型计算简图
        3 梁的防火计算
        主跨钢梁截面为H（1300～2000）X450X25X25，材质为Q345钢，最大截面面积Ax=0.712m2，最大惯性矩Ix=374x10-2m4，，回转半径ix=0.72m
        按照二级防火设计，钢梁的耐火极限为1.5小时，以纤维类物质为主的火灾，钢结构涂装H类膨胀性防火涂料，涂层厚度初选为15mm，防火涂料性能参数为：
        密度ρs=7850kg/m3，
        导热系数λi=0.045[W/（m*℃）]，
        比热Ci=600[J/（kg.°C）]
        a=λi/di=3.0
        Fi/V=（2h+3b-2t）
        /A=73.4

        计算结果为Ts=206.5℃
        206.5℃下Q345钢的弹性模量和强度为：
        fT=ηsT*fy

        fT=1.0x295=295 MPa
        采用《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017，保护层且梁的受火时间较长，按梁内温度均匀分布计算；
        T1=T2=Ts=206.5℃。
        热膨胀系数取 as=1.4x10-5[m/（m*k）]
        χsT=（7Ts-4780）/（6Ts-4760）=0.94
        热膨胀弹性模量
        EsT=χsT*Es=193.5x103N/mm2
        温度应力：
        NTe=as*EsT*A*[（T1+T2）/2-T0]=36.5x103 KN
        MTe=（ET*I/h）*as*（T1-T2）=0
        Nf=14.7x103 KN
        Nt=NTe-Nf（压）
        Nt/An=186.5N/mm2＜fT=295N/mm2
        结构计算中荷载组合有：
        （1）1.35恒荷+1.4活载
        （2）1.35恒载+1.4风载
        （3）1.35恒载+1.4活载+1.3地震荷载
        （4）1.00恒载+0.7活载+0.3风载
        进行防火设计时，利用（3）荷载组合，再加上温度升温效应来进行高温下钢结构设计，使用PKPM钢结构计算软件的计算结果文件得到要进行防火计算的钢梁最大弯矩发生在跨中大小为Mmax=6511 KN*M
        根据《建筑钢结构防火技术规范》7.17中要求：火灾下受楼板侧向约束的钢框架梁的承载力验算：M≤fT*Wp
        M/Wp=203N/mm2＜fT=295N/mm2
        以上验算可知钢梁在防火计算中涂抹的轻型膨胀性防火涂料15mm满足防火计算要求，但初定的保护层太厚可适当减小，重复以上步骤；
        以下表格列出不同涂层厚度防火计算结果：

        从表中可以看出，15mm厚预留的安全余量过多，7mm厚的情况下余量过少，综合选择下本项工程涂装厚度选择10mm厚H类膨胀性防火涂料。
        4结语
        计算最优防火保护层厚度应按步骤进行：①明确建筑耐火等级；②明确构件的耐火极限；③预估防火保护层设计厚度；4计算耐火极限时间内室内火灾升温；5有保护层钢构件的温度确定高温下钢的强度设计值、弹性模量钢梁；6热膨胀强度验算；7钢构件进防火强度和稳定验算；8根据结果情况重复上述3-7过程，直到选择出合适的保护层厚度。
        本工程设计中可以得出，在框架梁上有楼板起到侧向约束可防止框架梁发生整体失稳的情况下，可简化防火计算。钢框架梁的耐火承载力取决于其截面强度，根据验算结果对于两端有一定约束的框架梁，火灾下梁的轴力首先为压力，但随着梁挠曲变形的增大，由于悬链效应，梁中轴压力将逐渐减小，直至为零，再变为拉力。随着轴向拉力的发展，梁仍能再承受较高些的温度才会发生强度破坏。因此，框架梁的耐火设计，可偏于安全地取梁中温度轴力为零时的状态，进行耐火承载力验算。
        参考文献：
        [1]《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017 中国计划出版社
        [2]《钢结构设计标准》 GB50017-2017 中国建筑工业出版社
        [3]《建筑设计防火规范》 GB50016-2014 中国计划出版社