3.2 防火设计

3.2 防火设计

3.2.1 钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计。
3.2.2 钢结构耐火承载力极限状态的最不利荷载(作用)效应组合设计值,应考虑火灾时结构上可能同时出现的荷载(作用),且应按下列组合值中的最不利值确定:

Sm0T(γGSGk+STkfSQk)  (3.2.2-1)
Sm0T(γGSGk+STkqSQkwSWk)  (3.2.2-2)
式中:Sm——荷载(作用)效应组合的设计值;
      SGk——按永久荷载标准值计算的荷载效应值;
      STk——按火灾下结构的温度标准值计算的作用效应值;
      SQk——按楼面或屋面活荷载标准值计算的荷载效应值;
      SWk——按风荷载标准值计算的荷载效应值;
      γ0T——结构重要性系数;对于耐火等级为一级的建筑,γ0T=1.1;对于其他建筑,γ0T=1.0;
      γG——永久荷载的分项系数,一般可取γG=1.0;当永久荷载有利时,取γG=0.9;
      фw——风荷载的频遇值系数,取фw=0.4;
      фf——楼面或屋面活荷载的频遇值系数,应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定取值;
      фq——楼面或屋面活荷载的准永久值系数,应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定取值。
3.2.3 钢结构的防火设计应根据结构的重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火验算或基于构件耐火验算的防火设计方法,并应符合下列规定:
    1 跨度不小于60m的大跨度钢结构,宜采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法;
    2 预应力钢结构和跨度不小于120m的大跨度建筑中的钢结构,应采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。
3.2.4 基于整体结构耐火验算的钢结构防火设计方法应符合下列规定:
    1 各防火分区应分别作为一个火灾工况并选用最不利火灾场景进行验算;
    2 应考虑结构的热膨胀效应、结构材料性能受高温作用的影响,必要时,还应考虑结构几何非线性的影响。
3.2.5 基于构件耐火验算的钢结构防火设计方法应符合下列规定:
    1 计算火灾下构件的组合效应时,对于受弯构件、拉弯构件和压弯构件等以弯曲变形为主的构件,可不考虑热膨胀效应,且火灾下构件的边界约束和在外荷载作用下产生的内力可采用常温下的边界约束和内力,计算构件在火灾下的组合效应;对于轴心受拉、轴心受压等以轴向变形为主的构件,应考虑热膨胀效应对内力的影响。
    2 计算火灾下构件的承载力时,构件温度应取其截面的最高平均温度,并应采用结构材料在相应温度下的强度与弹性模量。
3.2.6 钢结构构件的耐火验算和防火设计,可采用耐火极限法、承载力法或临界温度法,且应符合下列规定:
    1 耐火极限法。在设计荷载作用下,火灾下钢结构构件的实际耐火极限不应小于其设计耐火极限,并应按下式进行验算。其中,构件的实际耐火极限可按现行国家标准《建筑构件耐火试验方法  第1部分:通用要求》GB/T 9978.1、《建筑构件耐火试验方法  第5部分:承重水平分隔构件的特殊要求》GB/T 9978.5、《建筑构件耐火试验方法  第6部分:梁的特殊要求》GB/T 9978.6、《建筑构件耐火试验方法  第7部分:柱的特殊要求》GB/T 9978.7通过试验测定,或按本规范有关规定计算确定。
tm≥td (3.2.6-1)
    2 承载力法。在设计耐火极限时间内,火灾下钢结构构件的承载力设计值不应小于其最不利的荷载(作用)组合效应设计值,并应按下式进行验算。
Rd≥Sm (3.2.6-2)
    3 临界温度法。在设计耐火极限时间内,火灾下钢结构构件的最高温度不应高于其临界温度,并应按下式进行验算。
Td≥Tm (3.2.6-3)
式中:tm——火灾下钢结构构件的实际耐火极限;
      td——钢结构构件的设计耐火极限,应按本规范第3.1.1条规定确定;
      Sm——荷载(作用)效应组合的设计值,应按本规范第3.2.2条的规定确定;
      Rd——结构构件抗力的设计值,应根据本规范第7章、第8章的规定确定;
      Tm——在设计耐火极限时间内构件的最高温度,应根据本规范第6章的规定确定;
      Td——构件的临界温度,应根据本规范第7章、第8章的规定确定。

条文说明
3.2 防火设计
    在20世纪80年代以前,国际上主要采用基于建筑构件标准耐火试验的方法来进行钢结构防火设计,并确定其防火保护措施。为此,各国及有关组织制定了相应的试验标准,包括国际标准组织ISO/CD 834、美国ASTM E 119和NFPA 251、英国BS 476、德国DIN 4102、日本JIS A 1304、澳大利亚AS 1530.4、我国国家标准《建筑构件耐火试验方法》GB/T 9978—1988等。采用该方法,往往需要进行一系列的试验方可确定合适的防火保护措施。进行这样一系列的耐火试验,费用高。为了改善这一情况,尽可能地减少试验次数,在总结大量构件标准耐火试验结果的基础上,许多国家的规范给出了通用的构件耐火极限表(如外包一定厚度混凝土的钢构件的耐火极限)。但这些构件的耐火极限表比较粗略,没有反映钢构件的截面大小与形状以及受荷水平等因素的影响。为此,国际社会在1970年前后开始研究建立基于结构分析与耐火验算的钢结构防火设计理论与方法,并于80年代开始编制基于结构分析与耐火验算的钢结构防火设计规范。
    本规范采用基于结构分析与耐火验算的钢结构防火设计方法,在总体上与欧洲钢结构协会ECCS钢结构防火设计标准,英国规范BS 5950 Part 8、欧洲规范ENV 1993 -1-2、美国规范AN-SI/AISC 360-10等规范所采用的方法相同。上述标准的具体名称如下:
    1) International Standards Organization(ISO).ISO 834-1:1999,Fire-resistance tests-Elements of building construction—Part 1: General requirements.
    2) International Standards Organization(ISO).ISO 834-5:2000.Fire-resistance tests-Elements of building construction—Part 5: Specific requirements for loadbearing horizontal separating elements.
    3) International Standards Organization(ISO).ISO 834-6:2000.Fire-resistance tests-Elements of building construction—Part 6: Specific requirements for beams.
    4) International Standards Organization(ISO).ISO 834-7:2000.Fire-resistance tests-Elements of building construction—Part 7: Specific requirements for columns.
    5) International Standards Organization(ISO).ISO/CD 834-10.Fire resistance tests-Elements of building construction—Part 10: Specific requirements to determine the contribution of applied fire protection materials to structural elements.
    6) International Standards Organization(ISO).ISO/CD 834-11.Fire resistance tests-Elements of building construction—Part 11: Specific requirements for the assessment of fire protection to structural steel elements.
    7) American Society of Testing and Materials(ASTM).ASTM E119-12,Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials.
    8) National Fire Protection Association (NFPA),NFPA 251, Standard Methods of Tests of Fire Resistance of Building Construction and Materials,2005 edition.
    9) British Standards Institution(BSI),BS 476-20:1987,Fire Tests on Building Materials and Structures,Part 20: Method for Determination of the Fire Resistance of Elements of Construction (General Principles).
    10) British Standards Institution(BSI),BS 476-21:1987,Fire Tests on Building Materials and Structures,Part 21: Methods for Determination of the Fire Resistance of Loadbearing Elements of Construction.
    11) British Standards Institution(BSI),BS 476-22:1987,Fire Tests on Building Materials and Structures,Part 22:Methods for Determination of the Fire Resistance of Non-Loadbearing Elements of Construction.
    12) British Standards Institution(BSI),BS 476-23:1987,Fire Tests on Building Materials and Structures,Part 23: Methods for Determination of the Contribution of Components to the Fire Resistance of a Structure.
    13) Deutsches Institut für Normung,DIN 4102-1, Fire Behavior of Building Materials and Building Components,Part 1:Building Materials, Concepts, Requirements and Tests,1998.
    14) Deutsches Institut für Normung,DIN 4102-2,Fire Behavior of Building Materials and Building Components,Part 2:Building Components,Definitions,Requirements and Tests,1977.
    15) Deutsches Institut fur Normung,DIN 4102-4,Fire behavior of Building Materials and Building Components,Part 4:Synopsis and Application of Classified Building Materials, Components and Special Components,1994.
    16) Japanese Industrial Standards,JIS A 1304:1994,建築構造部分の耐火試驗方法 (Method of Fire Resistance Test for Structural Parts of Buildings),1994.
    17) Standards Association of Australian,AS 1530.4-1997,Methods for Fire Tests on Building Materials, Components and Structures, Part 4: Fire-Resistance Tests of Elements of Building Construction,1997.
    18) European Convention for Constructional Steelwork(ECCS),Technical Committee 3-Fire Safety of Steel Structures,European Recommendation for the Fire Safety of Steel Structures-Calculation of the Fire Resistance of Loadbearing Element and Structural Assemblies Exposed to the Standard Fire,Amsterdam, Elsevier,1983.
    19) British Standards Institution(BSI),BS 5950,The Structural Use of Steelwork in Buildings,Part 8:Code of Practice for Fire Resistant Design,2003.
    20) European Committee for Standardization,ENV 1993-1-2,Eurocode 3,Design of Steel Structures,Part 1.2:Structural Fire Design,2005.
    21) American Institute of Steel Construction.ANSI/AISC 360-10,Specification for Structural Steel Buildings,2010.
3.2.1 本条指出了本规范钢结构耐火验算与防火设计的验算准则,是基于承载力极限状态。钢结构在火灾下的破坏,本质上是由于随着火灾下钢结构温度的升高,钢材强度下降,其承载力随之下降,致使钢结构不能承受外部荷载、作用而失效破坏。因此,为保证钢结构在设计耐火极限时间内的承载安全,必须进行承载力极限状态验算。
    当满足下列条件之一时,应视为钢结构整体达到耐火承载力极限状态:(1)钢结构产生足够的塑性铰形成可变机构;(2)钢结构整体丧失稳定。
    当满足下列条件之一时,应视为钢结构构件达到耐火承载力极限状态:(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。
    随着温度的升高,钢材的弹性模量急剧下降,在火灾下构件的变形显著大于常温受力状态,按正常使用极限状态来设计钢构件的防火保护是过于严苛的。因此,火灾下允许钢结构发生较大的变形,不要求进行正常使用极限状态验算。由于计算方法对结构的承载力影响大,直接涉及建筑的结构安全,故将本条作为强制性条文,必须严格执行。
3.2.2 本条规定了钢结构在火灾下的荷载(作用)效应组合,该组合是根据现行国家标准《建筑可靠度统一设计标准》GB 50068—2001、《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012中关于偶然设计状况的荷载(作用)效应组合原则制定的,恒载、楼面或屋面活荷载和风荷载等取火灾发生时的最可能出现的值。地震过后,建筑经常发生火灾这类次生灾害,但在火灾过程中再发生较大地震的事件为极小概率事件,因此在火灾下荷载(作用)效应组合中不考虑地震作用;而在火灾后,评定结构状态及修复结构时,则仍应考虑结构正常使用中的各种荷载及作用组合。
    必须指出,条文中给出的荷载(作用)效应组合值的表达式是采用各种荷载(作用)叠加的形式,这在理论上仅适用于各种荷载(作用)的效应与荷载为线性关系的情况。实际上,对于端部约束足够强的受火钢构件,构件升温热膨胀受约束将产生很大的温度内力,在较低温度时即进入弹塑性受力状态。由于钢材具有良好的塑性变形能力,将抵消热膨胀变形,因此在结构未形成机构之前,钢构件可在进入屈服后继续承载。
3.2.3 根据验算对象和层次的不同,钢结构防火设计可分为基于整体结构耐火验算的防火设计方法和基于构件耐火验算的防火设计方法。
    大跨度钢结构局部构件失效,有可能造成结构连续性破坏甚至倒塌;预应力钢结构对温度敏感,热膨胀很可能导致预应力的丧失,改变结构受力方式,设计时应予以特别重视,故要求采用基于整体结构验算的防火设计方法。当建筑中局部为大跨度结构、预应力结构时,对于该部分结构及相邻受影响的结构部分的耐火性能验算也要按照本条规定进行。
3.2.4 基于整体结构耐火验算的防火设计方法适用于各类形式的结构。当有充分的依据时(例如,周边结构对局部子结构的受力影响不大时),可采用子结构耐火分析与验算替代整体结构耐火分析与验算。
    基于整体结构耐火验算的设计方法应考虑结构的热膨胀效应、结构材料性能受高温作用的影响,先施加永久荷载、楼面活荷载等,再逐步施加与时间相关的温度作用进行结构弹塑性分析,验算结构的耐火承载力。
3.2.5 基于构件耐火验算的防火设计方法的关键,是计算钢构件在火灾下的内力(荷载效应组合)。考虑钢构件热膨胀型温度内力时,结构中相当多的钢构件将进入弹塑性受力状态,或是受压失稳。
    对于受弯构件、拉弯构件和压弯构件等以弯曲变形为主的构件(如钢框架结构中的梁、柱),当构件两端的连接承载力不低于构件截面的承载力时,可通过构件的塑性变形、大挠度变形来抵消其热膨胀变形,因此可不考虑温度内力的影响,假定火灾下构件的边界约束和在外荷载作用下产生的内力可采用常温下的边界约束和内力,即荷载(作用)效用组合公式(3.2.2-1)、式(3.2.2-2)时忽略温度作用效应。该简化处理方法,也为英国标准BS 5950 Part 8采用。
    对于轴心受压构件,热膨胀将增大其内力并易造成构件失稳;对于轴心受拉构件,热膨胀将减小轴心受拉构件的拉力。因此,对于以轴向变形为主的构件,应考虑热膨胀效应对内力的影响。
    计算火灾下构件的承载力时,构件的温度应取其截面的最高平均温度。但是,对于截面上温度明显不均匀的构件(例如组合梁),计算构件的抗力时宜考虑温度的不均匀性,取最不利部件进行验算。对于变截面构件,则应对各不利截面进行耐火验算。
3.2.6 本条给出了构件耐火验算时的三种方法。耐火极限法是通过比较构件的实际耐火极限和设计耐火极限,来判定构件的耐火性能是否符合要求,并确定其防火保护。结构受火作用是一个恒载升温的过程,即先施加荷载,再施加温度作用。模拟恒载升温,对于试验来说操作方便,但是对于理论计算来说则需要进行多次计算比较。为了简化计算,可采用直接验算构件在设计耐火极限时间内是否满足耐火承载力极限状态要求。火灾下随着构件温度的升高,材料强度下降,构件承载力也将下降;当构件承载力降至最不利组合效应时,构件达到耐火承载力极限状态。构件从受火到达到耐火承载力极限状态的时间即为构件的耐火极限;构件达到其耐火承载力极限状态时的温度即为构件的临界温度。因此,式(3.2.6-1)、式(3.2.6-2)、式(3.2.6-3)的耐火验算结果是完全相同的,耐火验算时只需采用其中之一即可。

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