对建筑结构耐火设计的思考

２００２年６月　矿业安全与环保　第２９卷增刊　对建筑结构耐火设计的思考　王次依　中煤设计咨询集团重庆设计研完院，重庆４０００１６）　摘要：在肯定世界上发达国家建筑结构耐火设计研究成果的基础上，结合我国的国情，指出我　国建筑结构耐火设计在采用的方法和步骤方面存在不足，并提出了应解决的几个主要问题。　关键词：建筑结构；耐火设计；火灾载荷；通风条件；结构条件；设计　中图分类号：ＴＤ３５２　５　文献标识码：ｃ　文章编号：１００８—４４９５（２ＯＯ２）０３＋一０１６４—０２　建筑结构耐火设计应包括以下两个方面内容：　单一承重构件的耐火性能和实际的结构单元（如连　建筑物在给定火灾条件下（火灾荷载、通风条件、结　续梁、框梁等）相差甚远，破坏机理也不尽相同。所　构条件等），其结构能否确保稳定而不失效倒塌；如　以，目前研究趋势为：（１）用过去标准耐火实验研究　果评估结果将发生倒塌，采取什么技术措施予以避　方法（破坏性实验）掌握了各类构件在火灾温度和　免。由此可见，建筑结构耐火设计的目的是防止建　重力荷载共同作用下的破坏机理后，建立构件在火　筑物在火灾中发生恶性倒塌后果，最大限度的减少　灾条件下的分析模型，使用计算机数值模拟研究更　国家和公民生命财产损失，是建筑抗灾设计的重要　为科学合理，因为该方法可以考虑更多的影响因　研究领域。　素，使构件的工作条件更符合实际而费用更为低　世界各国在建筑结构耐火设计研究领域开展　廉，所以研究方法正在由构件的破坏性试验方法向　了广阔而深人的研究，取得了巨大成果。主要集中　结构分析方法过渡。（２）由于单一构件在火灾中产　在：（１）结构材料在火灾高温下的性能研究。如钢材　生的温度内力与框架或其它超静结构产生的温度　在高温下的屈服强度、抗压强度、弹性模具、应力一　内力差别甚大，所以研究对象正在由单一构件转向　应变曲线；混凝土在高温下的抗压强度、抗拉强度、　构件组合单元。（３）由于钢结构耐火研究开展较早，　粘结强度、弹性模量、应力一应变曲线；钢材混凝土　研究得也很深人，而混凝土结构已被证明同样会在　的导热系数、比热、容重、线膨胀率。（２）建筑构件的　火灾中垮塌，所以研究的结构型式正在由钢结构向　标准耐火实验方法及设备。（３）混凝土构件内温度　钢筋砼结构发展。（４）由于建筑功能的多重性，主要　场研究。（４）钢构件、钢筋砼构件及结构单元的耐火　体现在火灾荷载和通风条件的变化，同标准温度一　性能研究。（５）钢构件耐火保护方法及保护材料研　时间曲线作为所有构件的受火条件，确实很难反映　究。（６）失火分区火灾性状研究与预测。此外，欧洲　构件在实际火灾中的工作条件，所以受火条件正趋　各国颁布了钢结构耐火设计技术规范。法国还制定　于用按预测计算得到的失火分区平均温度一时间　了砼结构的耐火强度实用计算方法，日本建立了建　曲线代替一成不变的标准升温曲线。　筑结构耐火设计数据库。由于众多的研究成果的技　目前，国际上采用的耐火设计方法，过程大致　术规范的颁布实施，使建筑结构耐火设计更科学，　为：（１）根据失火分区具体情况，即火灾荷载大小、　更安全和更经济。　通风参数、分区分隔物材料热参数预测计算分区火　ｌ　建筑结构耐火设计的进展　灾温度一时间关系，以此作为构件升温曲线或以标　准升温曲线作为灭火条件。（２）建立构件导热微分　由于科技的发展，尤其是高速计算机的广泛应　方程，输人构件材料热参数和定解条件、解算构件　用与普及，使人们利用结构分析方法进行耐火设计　截面温度场。（３）由结构理论建立构件抗力计算模　成为可能。同时，人们也逐渐认识到，利用标准耐火　型，按温度场计算结果确定相应的材料力学设计参　试验结果直接指导实际耐火Ｉ设计具有相当片面性；　数，计算构件抗力　（４）确定火灾时构件可能承受　收稿日期：２００１—１０—２４　的重力荷载即有效荷载，用力学分析方法计算构件　Ｉ６４　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年６月　矿业安全与环保　第２９卷增刊　在有效荷载和温度共同作用下的荷载效应　（５）　应的进一步掌握，我国对建筑结构耐火设计存在较大　比较见和　当毋≥毋时，结构可保证稳定而不倒　的弱点。（１）耐火等级选择不易操作，目前，建筑物趋于　塌，设计结束；当毋＜母时，结构不能保证稳定．需　功能复杂、体量大型化。同一栋建筑物的各个组成部分　作耐火补充设计，即改善分区状况或构件截面几何　功能相差非常大，所以确定建筑火宠胜状的火灾荷载　参数，重新计算直至满足要求，设计过程如图１所示。　差别也非常大。同一栋大型综合楼．完全可能包括不同　类型的房间。如：设计中的春天花园会所、耀文山庄－　老年公寓老年活动中心、重庆协信天骄俊园住宅楼群、　重庆忠县园艺场东坡花园一号一六号楼等，内有住宅、　办公室、商场等功能划分相当复杂。由于火灾荷载差　别，设计者无法选择合理的耐火等级，选择较低，无法　保证安全；选择较高，则不经济。（２）耐火极限要求不够　合理：由表１可见，当耐火等级确定后。所用承重构件　的耐火极限依据受力特征被规定为定值，并不考虑不　同房间的实际　隋况。当房间的火灾荷载较大，开窗面积　较小或内表面积较大（即通风性能较差），火灾时有效　荷载较大时，表１中规定的耐火极限过低；反之则过　高。尽管规范也曾规定当房间可燃物超过２００　ｋｇ／ｍ２　时．构件耐火极限提高０．５　ｈ。但就我国实际情况来看，　这　提相当粗糙的。　图１结构耐火设计框图　就现行耐火设计方法指导下的设计将产生以下　２　建筑结构耐火设计采用方法和步骤　三种结果：　（１）对大多数钢筋砼结构来说可保证安全但决　我国现行规范《建筑设计防火规范》和《高层民　不是意味着梁、柱具有规范所推荐的耐火能力　周为　用建筑设计防火规范》采用下述方法进行结构耐火　大多数普通房间的火灾荷载并不大，即使失火轰炸　设计｛　烧尽，对结构的损伤作用仍有限，并不需要规范所要　（１）根据建筑物的重要性、火灾危险性、扑救难　求的那么长的耐火极限。即规范要求的耐火榜．限过　度、用途、层数、面积等选择建筑物的耐火等级。　高——本文称其为第一种错误。另一方面，构件本身　（２）由所选耐火等级由表一确定相应承重构件　也达不到规范推荐的耐火极限——本文称其为第二　的耐火极限。　种错误。所以，大多数火灾荷载不高的构件可保证安　（３）设计承重构件，由标准耐火试验校准构件实　全，因为第一种错误掩盖了第二种错误。　有的耐火极限，如不满足，重新设计构件直至满足。　（２）在某些情况下，不能保证安全。例如：房间火　当然，并非每次设计都需进行耐火试验，规范给出了　灾荷载和构件有效荷载均较大，这对规范所要求的　一系列承重构件的耐火极限数值以供设计中核查校　耐火极限并不高，而是合适的。即没有第一种错误，　准。当所设计的构件与规范所给构件有实质性差别　那么第二钟错误必然会表现出来——结构于火灾中　时，才需进行新的耐火试验。　失效垮塌。　表１　高层建筑构件的燃烧性能和耐火极限　（３）对于大多数钢结构来说．造成不必要的浪　费。因为钢结构的耐火极限主要靠设置表面保护材　料来获得，不合理的过高的要求必然引起防火涂料　或板材的大量增加。　总之，现行方法没有从实际出发要求构　＝的耐　火极限，往往造成不安全或不经济。所以有的国家已　通过我国现有规范虽然也能做到结构耐火设计．　完全放弃这种设计方法而采用前述较好考虑实际条　但简单化了，随着人们对火灾研究的深入和对构件反　件的设计方法。　（下转第ｌ６ｆ７页）　１６５　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００２年６月　矿业安全与环保　第２９卷增刊　提高了分选效率。根据生产中实际检测及月综台试　验数据表明，旋流器～、二段的Ｅ值可分别达到　０．０３９和Ｏ　０５６，矸石中带煤量低于２％；数、质量效　率均能达到９３％左右，具体数据见表１。　（４）自动化程度高，便于集中控制。生产过程的悬浮　液密度及磁性物含量均能实时在线监测，配合核子　秤、测灰仪等数、质量监测设施，只要设定好各种参　数以后，系统置于“自动”状态就能够实现无人运行　表ｌ　选煤厂部分生产技术指标　而得到理想的分选结果。如果需人为调节，只需把　系统置于“手动”状态即可进行在线调节。　该工艺系统的用户程序是在ＶＭ威控组态软件　下，利用ＢＣ５．０语言编制的，计算机系统主要具有　生产工艺流程监视、工艺参数列表显示、工艺参数历　史记录、工艺参数趋势曲线、工艺参数打印、测控系　统参数修改、系统测试等功能。　已作为全国煤炭洗选示范厂，先后有英国、法国、日　本等国专家以及国内５Ｏ余家矿务局、公司、选煤厂、　设计院来厂考察，为全国洁净煤技术发展起到了巨　大的推动作用，获得了良好的社会效益。该课题已于　２０００年１　１月在重庆通过科技部等部门进行子课题　验收，于２００１年１月在北京通过国家计委、科技部　等部委进行项目整体验收，并决定该技术作为“高科　技产业示范工程”的核心技术。　３　结语　“大型、高效全重介选煤简化流程新工艺及设　备”课题自１９９９年４月正式投入工业性试验以后，　“大型、高教全重介选煤简化流程新工艺及设　备”的成功投产，无疑将给目前不太景气的煤炭行业　注入新的活力，该技术将代表着未来选煤技术的发　展方向，也必将成为新厂建设和老厂改造的工艺路　线选择方向。　系统指标达到了课题的要求，部分技术指标已超过　要求，为老屋基选煤厂带来了巨大的经济效益（１９９９　年４月至２０００年６月期间盈利５　２８８．３８万元）；现　（上接第１６５页）　（责任编辑：熊云威）　能确定与我国常温结构设计相适应的计算模式。　３　建筑结构耐火设计应解决　的主要问题　国外建筑结构耐火设计研究已开展数十年，而　我国才刚刚起步：要采用前述先进的设计方法，还需　开展大量的研究工作。　（１）结构材料在高温下的有关设计参数研究，迄今　为止我国尚未对结构材料的热反映｝生能开展大规模系　统研究。尽管有些单位从事过一些研究，但由于我国幅　员辽阏．材料变异性非常大，必须进行较大规模的研　究，才能确定用于结构耐火设计的基础数据。　（２）钢构件、钢筋砼构件在温度、重力荷载共同作　用下的破坏机理和承载力计算模型研究，该研究是结　（３）钢结构防火涂料（板材）热性能及构件在给　定临界温度下保护层厚度确定方法的研究。我国虽　开发了不少种类的结构防火涂料，但由于采用标准　耐火试验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热　参数随温升的变化规律以及保护层厚度的计算方　法。该研究具有相当紧迫性。　（４）承重构件所需耐火极限的研究。构件所需要　耐火极限直接关系到耐火设计的成败。疑有从构件　所处的实际条件出发规定其耐火极限，设计结果才　具有可靠性和安全性。　（５）火灾荷载分布统计研究。该研究是耐火设计　的基础。国外许久国家都进行过研究，并公布了用于　设计的火灾荷值。我国非常需要符合我国实际的火　灾荷载数值　（责任编辑：吴目立）　ｌ６７　构耐火设计的核心，工作量也最大．只有通过研究，才