火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

依力牙爾艾買提

摘要：至今還不可能由結(jié)構(gòu)分析來(lái)計(jì)算火災(zāi)的結(jié)構(gòu)影響。在不可能確定的情況下，現(xiàn)有的規(guī)程常常給設(shè)計(jì)人留有自行決定的余地。然而最近的許多研究已朝著有可能分析結(jié)果火災(zāi)影響的方向邁進(jìn)了一步這樣便將火災(zāi)同樣的處理成一種外加負(fù)荷。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)分析；火災(zāi)荷載；耐火極限等級(jí)

大多數(shù)國(guó)家的防火規(guī)程，對(duì)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)與構(gòu)造，有關(guān)火災(zāi)條件下的性能，或多或多或少地帶有嚴(yán)格地強(qiáng)制規(guī)定性質(zhì)，這些規(guī)定主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定的。

然而最近的許多研究已朝著有可能分析結(jié)果火災(zāi)影響的方向邁進(jìn)了一步，這樣便將火災(zāi)同樣的處理成一種外加負(fù)荷，相應(yīng)的方法已包含于荷蘭瑞典和瑞士所推行的規(guī)范中，德國(guó)在工業(yè)建筑中估算火災(zāi)影響的程序已包括于DIN18230中[1]。

一、火災(zāi)作為一種結(jié)構(gòu)荷載

為了計(jì)算火災(zāi)對(duì)結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的影響，并決定構(gòu)件的尺寸和構(gòu)造，必須進(jìn)行下列研究：

①火災(zāi)荷載的估計(jì)；②火災(zāi)特性的測(cè)定；③構(gòu)件中熱傳導(dǎo)的測(cè)定；④構(gòu)件的溫度計(jì)算；⑤構(gòu)件設(shè)計(jì)。

火災(zāi)荷載：火災(zāi)荷載可由一個(gè)給定空間內(nèi)所有可燃材料的總量及其燃燒所釋放的熱量來(lái)計(jì)算，有建筑物永久的裝修和配件構(gòu)成的火荷載部分，可在設(shè)計(jì)階段加以確定，而由建筑物內(nèi)可移動(dòng)的東西構(gòu)成的那部分只能以有關(guān)該類建筑的統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)加以確定。

建筑物火勢(shì)增長(zhǎng)率：這是以研究建筑物的區(qū)段或房間中時(shí)間—溫度曲線來(lái)表示的特性，瑞典規(guī)程提出了一個(gè)計(jì)算曲線的方法，有火災(zāi)荷載值以及所研究空間的窗洞口大小，高度以及封閉表面總面積之間的比值來(lái)計(jì)算。另一個(gè)計(jì)算辦法是，通過(guò)等效火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的測(cè)定，實(shí)際的火災(zāi)可以換算成標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)，由符合標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)和等效火災(zāi)將得出對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件同樣的最大溫度影響。

構(gòu)件溫度：從火災(zāi)中包圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件的氣體溫度，可以算出傳給構(gòu)件的總熱量，考慮到有各種外包層或覆面層形成的隔熱能力，每個(gè)構(gòu)件的溫度應(yīng)分別計(jì)算。

構(gòu)件設(shè)計(jì)：如果這種外包層或覆面層能防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫超過(guò)臨界值，則該構(gòu)件設(shè)計(jì)本身就不必考慮火災(zāi)的外加荷載，因?yàn)樵跍囟纫韵聵?gòu)件仍能承受容許荷載，但是倘若計(jì)算表明承重截面上的升溫會(huì)超過(guò)，則鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)采用減少容許應(yīng)力的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

二、火災(zāi)荷載

火勢(shì)增長(zhǎng)率：任何特定材料的性能特征，是由發(fā)生燃燒的區(qū)域內(nèi)形成的時(shí)間—溫度曲線表示的，這一曲線又可以進(jìn)而與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線找到關(guān)系，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火等級(jí)是根據(jù)這條直線規(guī)定的，這可以用一個(gè)等級(jí)指數(shù)m乘以火災(zāi)荷載求得，m是根據(jù)耐火能力試驗(yàn)已予確定的實(shí)際應(yīng)用關(guān)系。一些材料的時(shí)間—溫度曲線以及同一種材料所做的試驗(yàn)性火災(zāi)荷載效應(yīng)說(shuō)明實(shí)際火焰的溫度絕大多數(shù)大于低于標(biāo)準(zhǔn)曲線，雖然在火焰初期時(shí)的一段段時(shí)間內(nèi)記錄到較高的溫度是可能的。DIN18230中設(shè)定的等級(jí)指數(shù)m考慮了單位體積的可燃材料的表面積。以材料的厚度d表示，因?yàn)橛休^大表面積的薄片的可燃材料，要比一整塊同類材料燃燒的更為猛些。

比較：按照法令規(guī)定，在學(xué)校，辦公室，醫(yī)院等建筑物中出現(xiàn)的實(shí)際火災(zāi)荷載，與木家具一起規(guī)定為q=80Mcal/㎡。這是建立在對(duì)這類實(shí)際建筑物大量調(diào)查的基礎(chǔ)知識(shí)之上的，歐洲鋼結(jié)構(gòu)建筑協(xié)會(huì)就若干行政建筑內(nèi)480個(gè)辦公室等房間的可燃物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)提出的資料，其平均值q=92Mcal/㎡。這些房間的火災(zāi)荷載，有90%低于164Mcal/㎡，有95%低于188Mcal/㎡。

三、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限等級(jí)

除了允許以實(shí)際希望的時(shí)間—溫度曲線為基礎(chǔ)計(jì)算極限荷載的情況以外，結(jié)構(gòu)構(gòu)件是按照他們?cè)谀突饘?shí)驗(yàn)中能繼續(xù)承受和在作用的最短時(shí)間來(lái)分級(jí)的，在試驗(yàn)爐中標(biāo)準(zhǔn)火焰曲線確定溫度是時(shí)間的函數(shù)，耐火能力就這樣劃分為幾個(gè)等級(jí)，每一級(jí)都比前一級(jí)長(zhǎng)30分鐘。標(biāo)準(zhǔn)曲線是國(guó)際公認(rèn)的，耐火極限等級(jí)也為世界各國(guó)廣為采用[3]。

承重構(gòu)件：承重構(gòu)件應(yīng)在承受容許工作荷載的條件下 進(jìn)行試驗(yàn)，若這一點(diǎn)實(shí)際上做不到，則鋼柱的溫度平均不允許超過(guò)400℃，而個(gè)別的不應(yīng)超過(guò)500℃。耐火極限等級(jí)為F90及其以上的柱子，再處于熱狀態(tài)時(shí)應(yīng)能經(jīng)受噴水驟然冷卻作用，不至于開(kāi)裂或包殼散裂而裸露出鋼材。自F90級(jí)以上結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要組成部分也應(yīng)當(dāng)用A級(jí)材料構(gòu)成，而F180等級(jí)的構(gòu)件應(yīng)整個(gè)由A類材料構(gòu)成。

非承重構(gòu)件：在耐火實(shí)驗(yàn)中非承重構(gòu)件不應(yīng)因其自重而倒坍。

空間封閉構(gòu)件：這些構(gòu)件應(yīng)能阻止火焰貫通，不直接接觸火焰的表面不應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w，在墻體靠火焰一邊平均溫度不應(yīng)超過(guò)140℃?zhèn)€別構(gòu)件也不應(yīng)超過(guò)180℃。耐火極限等級(jí)F90以上的這些部分，凡在遭破壞后允許火焰無(wú)阻擋地通過(guò)的，應(yīng)以A級(jí)材料構(gòu)成，而按耐火極限等級(jí)F180設(shè)計(jì)的空間封閉構(gòu)件，應(yīng)當(dāng)全部用不燃材料構(gòu)成。

封閉空間的頂棚，F(xiàn)90級(jí)以上的，應(yīng)包含一個(gè)厚度至少50mm由A級(jí)材料構(gòu)成的連續(xù)密實(shí)的薄層，隔墻應(yīng)在承受火災(zāi)試驗(yàn)之后能經(jīng)受一次2的沖擊試驗(yàn)。

防火墻：防火墻應(yīng)與耐火極限等級(jí)為F90的空間封閉墻體構(gòu)造相同，全部采用A類材料，不能有空洞，并能在偏心荷載與沖擊試驗(yàn)下保持穩(wěn)定性，此外還應(yīng)滿足所用材料的最小厚度要求。

外墻：外墻應(yīng)能阻止火焰在建筑物外面一層層地向上蔓延，這種墻體所要求的耐火能力，應(yīng)包括設(shè)備固定件以及覆面板節(jié)點(diǎn)，在火災(zāi)中不至于引自重而塌落，也不能降低附著力，外墻的內(nèi)表面要經(jīng)受整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)火焰曲線的試驗(yàn)，而其外表面積需經(jīng)受650℃就行，當(dāng)建筑物外表暴露于火災(zāi)中時(shí)，墻的飾面層不應(yīng)出現(xiàn)可燃?xì)怏w，建筑物內(nèi)部著火時(shí)，墻的外表面平均溫度不能超過(guò)140℃?zhèn)€別的不能高于180℃。

防火物障：本論文所指的包括耐火極限等級(jí)自F30至F180的門，墻上類似的隔板，頂棚，以及防火墻，均應(yīng)滿足專門要求。其他規(guī)程還包括電梯間的門，玻璃窗，屋面覆蓋層以及空氣管道等。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)個(gè)別截面上達(dá)到破壞溫度時(shí)通常并不一定會(huì)引起這個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，按彈性理論設(shè)計(jì)的超靜定結(jié)構(gòu)仍然具有強(qiáng)度儲(chǔ)備，一根連續(xù)梁中某個(gè)別截面首先打到破壞溫度時(shí)在那個(gè)截面上使產(chǎn)生一個(gè)塑性鉸，但梁依然保持它的承載力，在火災(zāi)情況下一根連續(xù)鋼梁在若干個(gè)跨距內(nèi)出現(xiàn)撓曲，使梁主要是受拉，假如整個(gè)體系仍然是一個(gè)連續(xù)的整體—依靠連接構(gòu)造設(shè)計(jì)—這就提供了強(qiáng)度儲(chǔ)備，既可以采用更高的臨界溫度數(shù)值，如果充分考慮了這些關(guān)系就可能緩和必須滿足的嚴(yán)格要求，節(jié)省防火費(fèi)用，這一點(diǎn)在使用較薄的保護(hù)材料等方面已得到證實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2014.

[2] 李國(guó)強(qiáng).多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].中建筑工業(yè)出版社，2004.endprint