建筑结构耐火设计

第六章建筑结构耐火设计一、建筑结构的倒塌与破坏二、裸露钢结构的耐火性能三、钢结构耐火保护方法四、钢结构临界温度计算五、钢结构耐火保护层厚度计算六、钢结构受火灾危害后的鉴定与修复一、耐火设计的现状（一）仅限规范中耐火等级的划分这种方法1、对建筑构件进行耐火试验（标准条件）确定耐火极限。2、所选构件满足规范，认为满足防火要求。（二）存在问题1、不同于实际火灾2、荷载、边界条件不同3、耐火试验炉尺寸有限二、新的设计方法根据建筑结构在火灾实际中“设计受火状况”，确定其结构承载力。承载力＞火灾时有效荷载，安全。第一节建筑结构的倒塌破坏一、结构倒塌破坏的概念（一）建筑物——结构——构件组成结构的部分支承荷载，起骨架作用部分。即建筑物的支承部分。（二）引起倒塌的原因分析1、地基基础破坏引起房屋整体倒塌（1）砌体强度安全系数太小，施工质量低劣。（2）未经勘察就设计，地基的允许承载力远远低于实际荷载，造成地基严重不均匀沉降，导致房屋倒塌。（3）将基础置于冻土层上，开冻后因地基下沉造成房屋倒塌。（4）将基础置于护坡上，因护坡失稳坍塌，导致房屋倒塌。（5）地基土壤为“裂隙性粘土”(膨胀土)，在长期雨水的浸泡下，使土膨胀塑化，地耐力迅速减弱，造成地基下沉，基础折断，上部结构随之倒塌。（6）桩基破坏造成房屋倒塌。（7）房屋建筑的基础，被邻近工程开挖时掏空造成房屋倒塌。2、柱、墙等垂直结构破坏引起房屋整体倒塌（1）砖柱、砖垛、窗间墙、空斗墙的设计安全系数太小，再加施工质量不好造成的事故。（2）砖柱、砖墙在空旷建筑中的承载能力有较大幅度的降低。（3）砖柱、砖墙在承受集中荷载的部位，设计未考虑做大梁的粱垫，或是施工中未按设计做梁垫或做小了，使柱顶、墙顶局部承压力不够面被压碎。（4）砖柱、砖墙施工质量低劣也常引起柱、墙破坏，造成房屋倒塌事故。（5）柱、墙在施工中失稳倒塌。

3、钢筋混凝土框架结构倒塌

（1）由缺乏建筑结构知识的负责设计，造出形似框架而实非框架的结构，柱、梁截面过小，配筋严重不足，节点构造错误，导致框架结构破坏倒塌的事故。（2）有的新结构不但没有增加安全系数，反而降低了安全系数造成结构破坏倒塌。（3）预制装配式钢筋混凝土框架结构在施工中失稳倒塌。（4）由于混凝土受冻，造成倒塌。（5）由于采用了安全性不合格水泥，造成框架结构爆破拆除。

4、屋架破坏引起屋盖塌落

（1）钢筋混凝土屋架、屋面梁破坏塌落。（2）木屋架和钢木屋架破坏。绝大多数都是无证设计和施工造成的。（3）钢屋架破坏塌落。（4）特殊屋盖结构破坏塌落。因钢丝锈蚀破坏，引起屋盖塌落；梁板合一的特殊屋盖结构破坏塌落；屋盖在拆建时违规操作，造成倒塌；5、粱、板破坏倒塌事故

（1）由缺乏建筑结构知识的人负责设计，造成大梁截面太小，配筋严重不足，受载后折断倒塌。（2）因任意变更设计而造成倒塌。（3）施工质量低劣，混凝土强度达不到设计要求，造成大梁断塌。（4）在楼板上大量堆放材料、构件、砂浆等，大大超过其承载能力，造成楼板断塌。（5）预制板生产质量低劣，不合格就出厂，造成到现场安装后断裂塌落。（6）预制板采用了碱骨料，造成酥裂破坏。（7）施工人员缺乏建筑结构基本知识，盲目蛮干，造成楼板倒塌。（8）因空心板钢筋锈蚀，导致板断塌。

6、砖拱结构倒塌（1）拱脚处必须设置可靠的抗推结构。（2）要重视砖拱拱体的设计和施工质量。（3）注意拆模时间。7、悬臂结构塌落

（1）抗倾覆安全系数太小造成倒塌。（2）钢筋的位置、构造及阳台等根部的厚度不合理。（3）要掌握拆模的时间。阳台等悬挑结构不同于一般粱板，混凝土强度一定要达到设计强度后才能拆除承重模板韵顶撑。拆除时还要考虑原设计的抗倾覆荷重是否都已加上，如尚未全部压上即拆模，也会发生倾覆。8、房屋改建加层引起倒塌

在原有建筑物上加盖楼层，是扩大使用面积的一种办法。但必须核算原有地基基础、墙、柱、梁、板的承载能力。多年来由于任意加层不经结构核算而造成的倒塌事故时有发生，这应是引以为戒的。9、房屋使用不当引起倒塌（1）辽宁某厂窑房的钢筋混凝土柱子与窑相距只有14cm，投产后由于炉体失修，火焰喷出，把柱子烤酥，混凝土标号从C20降到相当于C5，投产13年后，因柱子首先破坏，整个屋盖倒塌，造成死亡12人，重伤10人和重大经济损失的特大事故。（2）青岛某厂转炉车间建成后屋顶两年未清扫，天窗挡风屏侧积灰高达80cm，局部荷载达到2000kg／m2，由于严重超载，屋面倒塌。青海某厂积灰高度达31．5cm。（3）黑龙江齐齐哈尔某厂汽机房屋面因严重超载塌落。由于汽机脱氧器溶解氧超标运行，被迫排出大量气体集于屋面冻结成冰，塌落后掉下的最大冰块厚度为620mm，比设计活荷载大了四倍。1、木结构表面被烧蚀，削弱了承重断面。2、钢结构受热变形破坏。3、砖砌体因受热变形而开裂破坏。4、钢筋砼结构由于持续高温承载力下降。5、结构因爆炸冲击冲击震动而破坏。6、因上部结构倒塌引起结构破坏。7、灭火射水所致。二、火灾情况下结构倒塌破坏原因三、建筑结构倒塌的一般规律1、顺序：上→下，吊顶→屋顶→墙→柱2、木结构、钢结构易发生倒塌破坏，预应力钢砼，不仅易，而且早且突然。3、木结构屋顶，整个倒塌的少，局部破坏的多，钢结构屋顶则多发生整体或较大的破坏。4、结构形式：简支构件、悬壁结构等超静结构，易于倒塌破坏，三绞拱、薄壳结构屋顶的倒塌破坏多是整体的，桁架结构在火灾情况下，破坏发生的早，且往往是大面积破坏。5、房屋的墙一般是向里倒。第二节裸露钢结构的耐火性能一、钢材的高温力学性能1、应力-应变曲线2、有效屈服强度

YT：钢材在某一温度水平Ts时的实际屈服强度或条件屈服强度。=1.0(Ts≤300ºC）750－Ts（300ºC＜Ts≤750ºC）4500（Ts＞750ºC）

σYTσY20二、钢材的截面温度分布q=－

dTdX三、构件的截面系数截面系数：构件单位长度内受火面积F与其体积V之比。F/V↑，耐火程度↓1、构件在火灾时有效荷载作用下，截面上产生初始应力。2、受弯构件随温度升高强度下降，最终全面屈服。钢结构由单一材料组成，温度分布均匀，截面呈薄壁状，受火面积大，火灾中升温快，强度降低严重。裸露钢结构耐火极限为15min。四、构件的破坏过程第三节钢结构耐火保护方法一、钢结构防火保护材料要求：1、安全无毒。

2、易与钢构件结合。

3、在预期内能有效保护钢结构。

4、钢构件受火发生变形时，防火保护材料仍保持原有保护作用。（一）混凝土1、可以延缓金属构件的升温，而且可以承受与其面积和刚度成比例的一部分荷载。2、根据耐火试验，耐火性能最佳的粗集料为石灰岩卯石集料；花岗岩、砂岩和硬煤渣集料次之；由石英和燧石颗粒组成的粗集料最差。3、决定混凝土防火能力的主要因素是厚度。（二）石膏具有较好的耐火性能，高温下可释放出20%的结晶水被火灾的热量所气化，火灾中石膏一直保持相对的稳定状态，直至完全脱水。可做成板材粘贴于钢构件表面；可制成灰浆，涂抹或喷涂到钢构件表面。

1、石膏板：普通、加筋重量轻、施工快而简便，不需专用机械，表面平整可做装饰层。

2、石膏灰浆用矿物石膏做胶结材料，用膨胀珍珠岩或蛭石作轻骨料。（三）矿物纤维最有效的轻质防火材料，不燃烧，抗化学侵蚀，导热性低，隔音性能好。

1、矿物纤维涂料：由无机纤维、水泥类胶结料以及少量的掺合料配成。加掺合料有助于混合料的浸润、凝固和控制尘灰飞扬。

2、矿棉板岩棉板，有不同的厚度和密度，密度越大，耐火性能越高。（四）防火涂料薄涂型（B类），厚涂型（H类）B类：适用于室内裸露钢结构，有装饰要求的底层涂料、面层涂料：涂层2-7mm，耐火1.5h，又称钢结构膨胀防火涂料。四川：LB钢结构：3mm-0.5h;5mm-1.0h;6mm-1.5hH类：称无机防火隔热涂料，适用于隐蔽结构及耐火极限＞1.5h的保护。涂层7-80mm，极限1.5-4hLG型：8mm-0.5h;12mm-1.0h;17mm-1.5h27mm-2.0h;32mm-2.5h;37mm-3.0hLF溶剂型：1.7mm-1.5hSCB超薄型：1.5mm-1h;2mm-1.5h（五）选用原则1、必须具有国家级检测中心出具的合格的检测报告。2、应根据钢结构的类型特点、耐火等级和使用环境，选择符合性能要求的防火涂料。（1）根据建筑部位选用涂料：隐蔽钢结构：隔热型；裸露钢屋架：薄型（2）根据工程的重要性选用重要工业：厚涂；民用：薄涂（3）根据耐火极限要求选用（4）根据使用环境选用（一）截流法：1、原理：截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定时间内温升不超过其临界温度。2、分类：（1）喷涂法用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。二、钢结构耐火保护方法1)注意：承受冲击振动的梁设计涂层厚度＞40mm粘结强度小于0.05MPa的涂料腹板高度大于1.5m的梁涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网，以确保涂层牢固。

2）应用：可用于任何一种钢构件的耐火保护。（2）包封法1）用耐火材料把构件包裹起来。浇砼包封；不燃材料包封；钢丝网抹灰2）注意①采用硬质防火板材包封时，板材可用粘结剂或钢件固定。当包封层数大于两层时，各层板应分别固定，板缝应相互错开，其距离≮400mm。②用软质板材包封，应用薄金属板或其它不燃性板材包裹起来。③采用混凝土作保护时，混凝土中应布置一定量细钢筋或钢网片以防爆裂。3）应用：梁、柱、压型钢板楼板的保护。（3）屏蔽法1）把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内。2）注意：吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火3）应用：屋盖系统的保护。钢结构建筑防火保护案例（4）水喷淋法在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动（或手动）开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。二、疏导法（一）原理：将传到构件上的热量导走或消耗掉，从而使构件温度不致升高到临界温度，以此起到保护作用。（二）方法：充水冷却保护在空心封闭截面（柱）中充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度维持在100ºC。三、预应力钢筋混凝土楼板防火要求（一）增加预应力楼板保护层厚度（二）板底抹灰（三）在预应力板中配入适量的非预应力钢筋，可防止预应力板在高温下骤然断裂。（四）使用预应力混凝土楼板防火涂料1、106预应力混凝土楼板防火隔热涂料以无机、有机复合物体粘和剂，配以珍珠岩、硅酸铝纤维等绝热、吸热、膨胀和增强材料，用水作溶剂，经混合搅拌而成。2、TA预应力楼板防火涂料用45号以上普通硅酸盐水泥或矿渣水泥为粘结材料，以膨胀珍珠岩等材料为骨料配制而成。涂8mm，耐火极限达到1.6h以上。原料丰富、价格低、施工方便，防火隔热性能好，涂层厚度小，自重小，耐火极限提高的幅度大。第四节钢构件临界温度计算一、定义临界温度：当构件在火灾有效荷载作用下，遭受火烧达到极限状态时的温度。有效荷载：构件在火灾时实际承受的重力荷载。PF=1.1G＋∑ΨiQi构件承受的可变荷载标准值可变荷载准永久值系数构件承受的永久荷载标准值二、荷载系数θ

1θ1=PF/P常温时的设计荷载σyTσy20=750－Ts450令σyT=σ0，Ts=Tc得：Tc=750－450σ0σy20设构件内重力分布影响系数为θ2,则临界温度计算式为：Tc=750-450θ1θ2,一端固定，一端绞支：θ2=2/3两端固定梁或连续梁内跨：θ2=1/2其余：θ

2=1.0当Tc＞550ºC时，取Tc=550例1、A3钢简支梁，截面为工32a，有效荷载与设计荷载之比θ1=0.665，求临界温度：θ1=0.665

θ2=1.0

解：例2：某钢柱，其有效荷载与设计荷载之比为0.7，求临界温度。

解：练习:同上条件，改为两端固定梁，求临界温度。第五节钢结构耐火保护层厚度计算一、保护材料的性质及分类1、热物理性质2、平衡含水率3、保护材料的分类（1）按吸热能力：轻型保护材料、重型保护材料ξ=cρFD2csρ

sV≤1/4等式成立为轻型，否则为重型cs

、ρ

s钢材的比热和密度D——保护材料的厚度，V——构件单位长度的体积（2）按含水率大小βρD2≤25等式成立为干保护材料，不成立为含水保护材料β——保护材料的平衡含水率二、导热微分方程假定（1）保护材料外表面的温度等于试验炉内平均温度。（2）由外部传输的热量全部消耗于提高构件和保护材料的温度，不计其它热损失。分析：λ（一）轻型干保护材料层厚度计算由αt=λDFV得：D=λ·FV·1αt查表6-3得

t值，查表6-4得F/V计算式，已知λ，得D。（二）重型材料的保护层厚度计算1、先按轻型干保护材料求出初定厚度2、求出，判定是否属于重型材料，如果是，进行修正。3、令t=λDFV11＋ξ求得D值（三）含水保护材料保护层厚度的计算当选用含水材料作保护层时，温度上升到100ºC，水分蒸发，吸收的热量大部分用于蒸发水分，而材料温度基本不升高。水分蒸发完后，材料温度重新上升，此后，升温曲线与干材料相似，处处滞后时间tv，即水分蒸发所占时间。tv=βρ

D’25λ(min)D’——初定厚度β——保护材料的平衡含水率计算步骤：1、按轻型干材料确定初定厚度D‘2、当tv≤5,为干材，即为所求3、当tv＞5时，对D‘进行修正4、对原定耐火时间进行修正，用t－tv重新查表，求α5、以修正后的α代入求厚度计算式（四）重型含水材料保护层厚度计算1、按轻型干材料求初定厚度2、对D‘进行吸热修正3、对D’’进行含水修正，求最后施用厚度。例1、已知简支梁Tc=451ºC，h=0.32m,b=0.13m,=0.01m,A=67×10－4m2,若采用周边喷涂防火涂料，其=1.0w/m.ºC，石膏板作箱型包封，求其耐火时间为90min时保护层厚度。解（1）求初定厚度D′：（2）对D′进行吸热修正：属重型材料，需进行吸热正：（3）对D″进行含水修正：

以t-tv=90-14≈75min,Tc=450℃,查表6—3得

再由公式：第六节钢结构受火灾危害后的鉴定与修复一、受损程度的检查和试验（一）火灾现场调查1、时间、地点、燃烧时间2、可燃物种类3、火灾蔓延情况4、燃烧条件（二）收集建筑物原始资料1、平、立、剖面图2、结构形式、尺寸、强度、性能、装修情况（三）受害部分的外观检查和试验1、根据火场特征判断火烧程度如：片状玻璃软化或粘状——700-750ºC

变团——800ºC

流动——850ºC砼；＜200。灰青；

300-500浅灰白

500-700浅灰白-浅红

700-800灰白-浅黄＞800浅黄材料名称物品名称状态近似温度／℃聚苯乙烯食品盒、泡沫、灯罩、把手、衣勾和无线电包装塌陷、烧软、熔化或流动

120120—140150～180聚乙烯塑料袋、薄膜、瓶子、桶和管子起皱、软化或熔化

120120～140聚甲基丙烯酸酯把手、盖子、天窗、玻璃软化、起泡

130～200250聚氯乙烯(PVC)电缆、管子、排泄管、衬套、外壳、把手、旋钮、家用器皿、玩具、瓶子褪色、冒烟、变成褐色、烧焦

100150200400～500纤维木材、纸、棉花变黑

200，300焊缝铅制品焊接品熔化

250铅铅制品卫生器具、玩具、固定件熔化、边沿钝化、形成滴状

300～350350～400铝及铝合金包装、支架、机械零件软化、熔化

400600玻璃窗玻璃、瓶子软化、边沿钝化、流动或呈黏性熔化

500，-600800900材料名称物品名称状态近似温度／℃银珠宝、勺子、餐具形成滴状、熔化(特别在边缘)

950900～1000黄铜门锁、开关、门把手、扣子形成滴状、熔化

950～10501000～1100铜电线、电缆、装饰品熔化

1100～1200铸铁散热器、管于形成滴状

1150～1250锌卫生器具、烛台、下水管形成滴状、熔化

400420青铜窗户、紧固件、门铃和装饰品边沿钝化、形成滴状

900900～1000涂料烧毁

250木材起火

2402、观察构件受损伤情况。注意发现节点、支座、跨中及