1、第五章第五章 建筑结构耐火设计建筑结构耐火设计第一节第一节 建筑结构耐火设计方法建筑结构耐火设计方法第二节第二节 钢结构耐火设计钢结构耐火设计第三节第三节 钢筋混凝土构件截面温度场钢筋混凝土构件截面温度场第四节第四节 钢筋混凝土柱的耐火计算钢筋混凝土柱的耐火计算第五节第五节 钢筋混凝土梁的耐火计算钢筋混凝土梁的耐火计算一、设计方法简介第一节第一节 建筑结构耐火设计方法建筑结构耐火设计方法 处方式防火设计 性能化防火设计（一）处方式防火设计 规范中规定了具体的规范中规定了具体的参数和指标参数和指标，根据建筑物的情，根据建筑物的情 况况“照方抓药照方抓药”，从规范中直接选定设计参数和指标，从规范中
2、直接选定设计参数和指标。以现行规范为依据（规范条文即处方）：【处方式设计举例】根据根据建筑设计防火规范建筑设计防火规范表表5.1.15.1.1 ：耐火等级为二级的建筑，其柱的耐火极限不低于耐火等级为二级的建筑，其柱的耐火极限不低于2.5h2.5h。钢筋混凝土柱：钢筋混凝土柱：截面尺寸截面尺寸耐火极限耐火极限2402402.003003003.002004002.70涂防火涂料的钢柱涂防火涂料的钢柱：JF206 钢结构膨胀型防火涂料钢结构膨胀型防火涂料涂层厚度涂层厚度0.671.331.993.324.15耐火极限耐火极限0.51.01.52.02.5我国现行规范（处方式）设计方法及特点我国现行
3、规范（处方式）设计方法及特点选定耐火等级确定耐火极限设计承重构件校准耐火极限2.该设计方法的特点：该设计方法的特点：*优点：简单*缺点：1）耐火等级选择不易操作2）耐火极限要求不够合理3）构件实有耐火极限的确 定方法不够科学 1.设计步骤：设计步骤：（二）性能化防火设计确定性能确定性能安全目标安全目标，运用消防安全工程学的原理，运用消防安全工程学的原理，对建筑物的火灾危险性进行综合分析。预设各种可对建筑物的火灾危险性进行综合分析。预设各种可能起火的条件和由此所造成的结果，对消防安全工能起火的条件和由此所造成的结果，对消防安全工程措施加以评估，从而核准预定的消防安全目标是程措施加以评估，从而核准
4、预定的消防安全目标是否能够达到。否能够达到。结构性能化设计：具体环境具体分析，具体构件具体分析。具体环境具体分析，具体构件具体分析。ffRS计算火灾特性（Tt）计算构件温度场计算构件抗力Rf计算荷载效应SfYNoverRS常温：火灾：火灾：ffRS建立抗力模型结构性能化设计步骤：一、裸露钢结构的耐火性能我国部分钢结构在火灾中的倒塌案例我国部分钢结构在火灾中的倒塌案例火灾日期建筑名称倒塌时间1969.12上海文化广场15 min1973.05天津市体育馆19 min1986.01唐山市棉纺织厂20 min1987.04四川江油电厂俱乐部20 min1993.05 上海某纺织厂房15 min199
5、8.05 北京玉泉营环岛家具城15 min2003.04青岛即墨正大公司熟食加工车间30 min第二节第二节 钢结构耐火设计钢结构耐火设计钢结构耐火性能差的主要原因：高温下材料强度、弹性模量降低钢构件多为薄壁状，火灾中升温快钢材导热系数大，更易损伤内部钢材：钢材：45W/（m ）混凝土：混凝土：1.31.7W/（m ）（一）截流法原理：截断或阻滞火灾产生的热流量向构件传输，使构件在规定时间内的温度不超过临界温度。分类：喷涂法、包封法和屏蔽法根据保护原理不同分为：截流法和疏导法二、钢结构耐火保护方法270.51.5有机有机材料材料组成，遇火后发泡膨胀，组成，遇火后发泡膨胀，形成多孔碳化隔热层形成
6、多孔碳化隔热层膨胀型膨胀型（薄型）（薄型）7500.53.0无机无机材料组成，涂层受热不发材料组成，涂层受热不发泡，依靠材料低导热性而隔热泡，依靠材料低导热性而隔热非膨胀型非膨胀型（厚型）（厚型）厚度厚度（mm）耐火极限耐火极限（h）组成及防火原理组成及防火原理类型类型防火涂料的类型防火涂料的类型（1）喷涂法优点：适用范围广，可用于任何一种钢构件的耐火保护 缺点：污染环境，易脱落，耐久性差采用钢结构防火涂料时，应符合下列规定：一、室内一、室内裸露裸露钢结构、钢结构、轻型屋盖轻型屋盖及有及有装饰装饰要求的钢结构要求的钢结构,当规当规定其耐火极限在定其耐火极限在1.5h1.5h及以下及以下时，宜选
7、用薄涂型钢结构防火涂料。时，宜选用薄涂型钢结构防火涂料。二、室内二、室内隐蔽隐蔽钢结构、钢结构、高层全钢高层全钢结构及结构及多层厂房多层厂房钢结构，当规钢结构，当规定其耐火极限在定其耐火极限在1.5h1.5h以上以上时，应选用厚涂型钢结构防火涂料。时，应选用厚涂型钢结构防火涂料。不同类型防火涂料的适用范围不同类型防火涂料的适用范围（2）包封法用防火材料把构件包裹起来形成保护层包封材料：防火板、混凝土、砖、钢丝网抹耐火砂浆适用范围：梁、柱和压型钢板楼板 （3）屏蔽法把钢构件包藏在耐火材料组成的墙 或吊顶内。适用范围：柱、梁（二）疏导法原理：设法导走或消耗掉已传到构件上的热流量，从而使构件在规定的
8、时间内温度不超过临界温度。具体方法：充水冷却保护法三、钢构件的临界温度Tc临界温度（临界温度（T Tc c）：指构件在火灾时有效重力荷载作用下遭指构件在火灾时有效重力荷载作用下遭 受火烧而达到承载力受火烧而达到承载力极限状态极限状态时的时的温度温度。临界应力（临界应力（crTcrT）：指构件遭受火烧达到承载力指构件遭受火烧达到承载力极限极限 状态状态时，其截面上的时，其截面上的最大正应力最大正应力。fTcrTc690905（若（若Tc550，取，取 Tc 550）905C）计算计算T Tc c的关键：求解火灾下临界应力的关键：求解火灾下临界应力crT构件的临界应力的计算：（一）轴心受拉构件（二
9、）轴心受压构件（三）受弯构件ANcrTANcrTxxxcrTWMxxcrTWM20 xxcrTWM320影响临界温度（临界应力）的因素：有效荷载：大小、形式、作用位置构件的截面形状、尺寸受力状态约束条件fTcrTc690905 【例题例题2-2】工型截面工型截面Q235钢柱，受轴压力钢柱，受轴压力2400KN，截面面积截面面积21520mm2，计算长度，计算长度8m，弱轴回转半径，弱轴回转半径 iy=99.6mm，求该柱的临界温度求该柱的临界温度Tc。3.806.9980000yyil查附表3-2求值得：688.023/16221520688.0102400mmNANcrT385215/162
10、690905/690905fTcrTc解：即：火灾中该柱的温度达到385时，柱子失效破坏。（一）标准升温条件下钢构件温度计算1、假定20)160/8log(345)(ttT（1）保护材料外表面的温度 等于炉内平均温度，即1333111010491006945841738679576T()24018012090603015105t(min)标准升温曲线四、标准升温条件下钢结构耐火保护层厚度计算1、假定（3）传入的热量全部消耗于提 高构件和保护材料的温度。（2）保护材料内温度线性分布；钢构件截面温度均匀分布。（1）保护材料外表面的温度 等于炉内平均温度T(t)；保护材料保护材料标准耐火试验炉标准耐
11、火试验炉T(t)TS(t)QQ2Q1t内，钢构件吸热：tTttTVCQssss1t内，保护材料吸热：22TtTttTSDCQss标准耐火试验炉标准耐火试验炉T(t)TS(t)QQ2Q1不计热损失（假定3）：Q Q=Q Q1 1+Q Q2 2t内，由保护材料传入构件的总热量：tStTtTDtqSQs)()(2、导热方程的建立由传热学：dxTdq)()(11)()(tTtTCttTttTsssVSDss)()()()(tTtTCttTttTsssss选定选定试算试算耐火时间耐火时间t t临界温度临界温度T Tc c 截面截面-材料综合系数材料综合系数11VSDP19:P19:表表2-42-43、标
12、准升温条件下钢构件温度计算方程表表2-4 截面截面-材料综合系数材料综合系数值值 W/(m3)Tc()t（min）606570758085951001051101151203507006345785324914564263893743533343163003607276586015525104744424143893663463283123707556846245735294924584294033803593403233807837096475945495104754454183943723533353908127356716165695284934614334083863653474008
13、427626956385895475104774484223993783594108727897206616105665284944644374133913714209038177456846315865465114804524274043844309358467717076536065645284964674414183974409678747977316756265835465124834564324101000904824756697647603564529498471446423460103493485178172066862258254651448646043747010689658
14、798067446896426005645315014744504801108997908832768712663620581547517489464热物理参数热物理参数性性质质密度密度导热系数导热系数比热比热c1、保护材料的性质与分类、保护材料的性质与分类 常用保护材料在高温下的热物理参数和平衡常用保护材料在高温下的热物理参数和平衡 含水率见（表含水率见（表2-32-3）平衡含水率平衡含水率（二）（二）标准升温标准升温条件下保护材料厚度计算条件下保护材料厚度计算 保护材料的分类（1）按吸热能力分（2）按含水率大小分干保护材料含水保护材料轻型材料吸热材料轻型材料：吸热能力较小可忽略吸热材料：计
15、算构件温度时应考 虑其吸热影响干保护材料：不计含水量对构 件温度的影响含水材料：计算保护层厚度时应 考虑含水量的影响轻型材料轻型材料吸热材料吸热材料分分类类按含水按含水率分率分按吸热按吸热能力分能力分干保护材料干保护材料含水保护材料含水保护材料412VssCSDC252D满足满足不满足不满足满足满足不满足不满足（1）轻型干保护材料）轻型干保护材料VSD吸热能力可忽略，令吸热能力可忽略，令=0=02 2、保护材料厚度的计算公式、保护材料厚度的计算公式11VSD（2）吸热干保护材料）吸热干保护材料VCSDCss2VSKVSKD2/4112ssCCK2式中：（3）含水保护材料）含水保护材料52DtV
16、v含水保护材料计算与干保护材料相同，只需在升温 时间中扣除水份蒸发时间tv。含水保护材料与干保护材料计算有何不同？含水保护材料与干保护材料计算有何不同？按干保护材料计算厚度D25)(2DYesDDNo求滞后时间tv 用(t-tv)代替t查表 求，重算D52DtVVSKVSKD2/4112VSD吸热：吸热：轻型：轻型：（三）构件的截面系数（S/V）S/V构件单位长度内受火构件单位长度内受火 面积面积S与其体积与其体积V之比之比图为标准升温条件下工字形图为标准升温条件下工字形截面截面达到达到550550所需所需时间时间与与截面系数截面系数的关系的关系 截面系数截面系数S/VS/V越大，构件吸热越大
17、，构件吸热 越多，构件耐火性越差越多，构件耐火性越差。表示构件的吸热能力表示构件的吸热能力VSD 表表2-5 2-5 截面系数截面系数S/VS/V值值三面喷涂三面喷涂四面喷涂四面喷涂三面包封三面包封四面包封四面包封（四）标准升温条件下保护层厚度D的计算Tct 法法计算步骤：计算步骤：1、计算构件的临界应力crT2、计算临界温度Tc3、由Tc、t查表24得综合系数4、将带入公式求得DfTcrTc690905VSKVSKD2/4112VSDANcrT轴压构件：xxxcrTWM简支梁：【例例】某某Q235简支钢梁，截面为简支钢梁，截面为32a型钢型钢（x=1.05，Wx=692cm3），），跨中弯矩
18、设计值跨中弯矩设计值M=104KNm，求下面两种保护方案下耐火时间为求下面两种保护方案下耐火时间为90min时所需时所需 的保护层厚度。的保护层厚度。3450,900,1.0mkgCkgJCCmW （2 2）石膏板包封，保护材料参数：）石膏板包封，保护材料参数：%20,800,1700,2.03 mkgCkgJCCmW（1 1）作周边喷涂保护，涂料为轻干保护材料，）作周边喷涂保护，涂料为轻干保护材料，参数为：参数为：446215/143690905/690905fTcrTc2、计算临界温度Tc3、由Tc、t查表2-4求综合系数CmwtCTc3/59542min,90,446得：查表按4、由值求
19、D1、计算临界应力crT236/1431069205.110104mmNWMxxcrT解：解：查型钢表：查型钢表：241067,0095.0,13.0,32.0mAmdmbmh（1 1）梁是三面喷涂，涂料参数为：）梁是三面喷涂，涂料参数为：3450,900,1.0mkgCkgJCCmW 由表由表2-5：1415110670095.0232.0213.03223mAdhbVS4116.078506002151025.0450900225025.01515951.0VCSDcmmmVSDssD即为所求 （2 2）石膏板三面包封，保护材料参数：）石膏板三面包封，保护材料参数：%20,800,1700
20、,2.03 mkgCkgJCCmW14115106732.0213.02mAhbVS1444.07850600280017002ssCCK由表由表2-5：mmmVKSVSKD27027.01151444.02595/2.01151444.0411/2/)(41122进行修正对初定厚度DD,25582.0027.08002022min122.05027.080020522Dtv)/(71142,446min,7812903CmwCTtc得：查表以mmmVKSVSKD23023.01151444.02711/2.01151444.0411/2/)(41122五、实际火灾条件下钢结构耐火保护层厚度计
21、算（一）普通房间火灾温度的计算1、参数定义开口因子（通风系数）：TwAHAF火灾荷载密度：TTAQq 开窗率：TwAAE 2、室内温度计算模型 房间的热平衡方程：wLBHQQQQBHDAQwH469280074)100273(A8.067.54fwBTQ木材的热释放速率：木材的热释放速率：通过窗口的辐射热损失速率：通过窗口的辐射热损失速率：烟气带走的热损失速率：烟气带走的热损失速率：BHATBCHAQwfFwL49868481.2室内壁面吸热速率：室内壁面吸热速率：)()(1TTLAAQfwTw室内平均温度室内平均温度LEFBCLTEFBTEDFBTFff1481.21498687410027
22、30.867.5469280014室内火灾温度计算模型：室内火灾温度计算模型：3、室内温度的计算LEFBCLTEFBTEDFBTFff1481.2149868741002730.867.5469280014墙体墙体加气混凝土加气混凝土楼板楼板钢筋混凝土钢筋混凝土计算机迭代算法：计算机迭代算法：模型计算值与实测平均值的对比模型计算值与实测平均值的对比0510152025300150300450600750900qf=28kg/m2qT=102MJ/m2F=0.0612m1/2T/0Ct/min木材计算值实测平均值由图可见，试验实测温度值与由图可见，试验实测温度值与理论计算在理论计算在高温区段高温
23、区段非常接近，非常接近，证明了所采用温度计算模型的证明了所采用温度计算模型的可靠性。在下降区段，温度计可靠性。在下降区段，温度计算已无工程意义。算已无工程意义。由48只热电偶实测的温度-时间曲线 （二）钢结构耐火设计的当量时间当量时间当量时间根据一定的根据一定的等代原则等代原则，把，把实际火灾实际火灾的猛烈的猛烈 程度换算成程度换算成标准火灾标准火灾的持续时间。的持续时间。当量时间当量时间t te e的确定原则：将的确定原则：将真实火灾真实火灾对构件的破坏程度等效成相对构件的破坏程度等效成相 同建筑在同建筑在标准升温标准升温作用作用t te e后对该构件的破坏程度。后对该构件的破坏程度。采用标
24、准升温曲线进行耐火设计：采用标准升温曲线进行耐火设计：优点优点有统一的标准，抗火试验或设计具有可比性；有统一的标准，抗火试验或设计具有可比性；缺点缺点与实际火灾的升温曲线相差较大。与实际火灾的升温曲线相差较大。为了更好反映实际火灾对构件的破坏程度，而又保证标准升温为了更好反映实际火灾对构件的破坏程度，而又保证标准升温曲线的实用性，提出了当量时间（等效爆火时间）的概念。曲线的实用性，提出了当量时间（等效爆火时间）的概念。tA描述火灾的猛烈程度在标准升温曲线下，升温时在标准升温曲线下，升温时间为间为t tA A 时曲线下时曲线下300300以上面以上面积恰好等于实际火灾的升温积恰好等于实际火灾的升
25、温曲线下曲线下300300以上的面积。以上的面积。（1）等面积当量时间tA1、当量时间的研究概况标准升温曲线实际升温曲线（2）Law，M（1971）：2/1/wTweAAAWt（3）Pettersson，O（1973）：2/12/1/21.1TweAHAWt 2、钢结构耐火设计的当量时间 （1）钢构件温度计算实际火灾中钢构件的温度：)()()()(tTtTCttTttTsfssss)()()()(tTtTCttTttTsssss标准升温条件下（试验炉内）钢构件的温度：20)160/8log(345)(ttTLEFBCLTEFBTEDFBTFff1481.2149868741002730.867
26、.5469280014（2）当量时间te1）实际火灾升温曲线下：)()()()(tTtTCttTttTsfssss假定一个，令20)0(sT由反复试算，直至找到一条曲线，使得该曲线上最高温度 Tsmax=Tc得到一个意义：用值设计的钢构件，在真实火灾中构件的最高 温度恰好等于临界温度。0306090120150180020040060080010001200q=600MJ/m2Tc=5630CB=600W/(m3 K)Fw=0.06m1/2TsT(t)fTf/0Ct/min由上式可得一个由上式可得一个Ts(t)曲线曲线2）标准升温曲线作用下：)()()()(tTtTCttTttTsssss，令
27、20)0(sTte意义：取火灾升温时间为te，在标准升温曲线下设计的 钢构件和实际火灾作用下的效果相同。标准升温Ts（t）曲线0306090120150180020040060080010001200teTc=5630CB=600W/(m3K)TsT(t)T/0Ct/min将将 1）中算出的）中算出的值值带入上式：带入上式：在在Ts(t)曲线上找一点，使得曲线上找一点，使得Ts=Tc该点对应的时间即该点对应的时间即影响影响 te的主要因素：的主要因素：F，qT表表2-10 2-10 不同的不同的F F和和q qT T下下的当量时间平均值的当量时间平均值（T Tc c=350-500=350-5
28、00）qT（MJ/m2）F F（m m1/21/2）2003004005006007008009000.0458841091331561802032250.064265841021201371551710.0837546984991131271410.103346607284971081190.1229415363748595105TeqFFt)3794.0223.4434.16(92当量时间的计算公式：TwAHAF53.0010020030040050060070080090010001100040801201602002400.120.100.080.06F=0.04m1/2te/minq
29、/MJ/m2火灾荷载越大，火灾轰燃后持续时间越长，温度越高，对构件破坏作用越大，当量时间越长。通风系数越大，火灾轰燃后温度越高；但从窗户散发出的热量较多，火灾持续时间短，对构件破坏作用越小，当量时间越短。TeqFFt)3794.0223.4434.16(92当量时间：式中：式中：（三）实际火灾条件下钢结构耐火设计1、根据房间的具体情况（qT，F）计算te 2、按标准升温条件下的 Tct法 进行计算(将将t t改为改为t te e）Tcte法的优点：（1）由当量时间将不同火灾条件下的设 计统一到标准升温条件下，使设计 得到简化。实际火灾升温条件下保护层厚度D的计算（Tcte法）：（2）考虑了火灾
30、实际情况：*针对具体构件具体分析Tc*针对具体环境具体分析te确定qT和F计算当量时间te求临界温度Tc查截面综合系数求保护层厚度D例题：某房间地板尺寸6m12m，设3个3m2m窗户，室内净高3.5m。可燃物总热值按地板1840MJ/m2，若钢梁的临界温度为450，截面系数S/V123m1，拟用石膏板作箱形包封，确定所需厚度。et1）计算当量时间解：（22705.32)126(1262mAT2/105.0270/322353.053.0mAHAFTw2/491270/1261840/mMJAQqTTmin112)3794.0223.4434.16(92TeqFFtCmwtCec3/46142m
31、in,112,450T查表由计算保护层厚度)2(%20,800,1700,2.03 mkgCkgJCCmW取mVKSVSKD0335.01231444.02461/2.01231444.0411/2/)(41122min1852DtV1444.02ssCCK其中Cmw，t3/57242min9418112查表以mVKSVSKD0285.01231444.02572/2.01231444.0411/2/)(41122例：一级耐火等级建筑内某办公室，地板6m8m（2开间），室内净高3.5m，开窗面积12m3，窗洞口高2m。地板火灾荷载密度为1840MJ/m2。室内有一简支钢梁，截面I28aI28a
32、，跨中，跨中弯矩设计值M64.9KNm，试对该梁进行耐火保护设计。mmtmmbmmh5.8,122,280查型钢表：234.55,508cmAcmWx21945.32)86(286mAT2/10466.019421253.053.0mAHAFTw解：2/455194861840mMJAQqTT）mW，采用防火涂料三面喷涂/(1.0(min108)3794.0223.4434.16(92TeqFFt236/7.1211050805.1109.64mmNWMxxcrTCfTcrTc514215/7.121690905/690905)/(57342T3CmWtec：查表由14164104.55009
33、.0228.02122.03223mAthbVSmmVSD291645731.01、简述钢结构耐火性能差的主要原因。2、根据保护原理不同，钢结构耐火保护方法都 有哪些？简述各自的保护原理。3、钢结构防火保护材料按吸热能力和含水量不 同如何分类？耐火设计中为什么要进行分类？4、什么是钢构件的临界温度？影响临界温度的 因素有哪些？5、什么是钢构件的截面系数？其值与构件的耐 火性能关系如何？6、影响钢结构耐火设计当量时间的两个主要因 素是什么？简述其如何影响当量时间。作 业7.某Q345简支钢梁，截面为40a型钢（x=1.05），跨中弯矩设计值M=200KNm，拟采用周边喷涂防火涂料做耐火保护，涂料视为轻型干保护材料，导热系数=0.12W/（m），若要求该梁耐火极限为80min，求所需防火涂料的保护层厚度。8.某Q235简支钢梁，截面为36a型钢（x=1.05，Wx=875cm3），跨中弯矩设计值M=140KNm，拟采用喷涂防火涂料做耐火保护，涂料视为轻型干保护材料，S/V=145m-1，导热系数=0.08W/（m），若要求该梁耐火极限为110min，求所需防火涂料的保护层厚度。
