建筑耐火結(jié)構(gòu)課程設(shè)計

1、建筑結(jié)構(gòu)與防火課程設(shè)計 陶軍 16096034 中國礦業(yè)大學安全工程學院 _建筑結(jié)構(gòu)耐火課程設(shè)計 課程名稱 建筑結(jié)構(gòu)與防火設(shè)計姓名 陶軍 班級 消防09-1班學號 16096034 日期 2012年7月成績 教師 劉海波建筑結(jié)構(gòu)耐火安全分析與評估結(jié)構(gòu)耐火一般通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取防火保護措施，使其在火災(zāi)中承載力降低不多而滿足受力要求來實現(xiàn)。因此，建筑物中主要受力構(gòu)件的耐火性能應(yīng)能在合理的基礎(chǔ)上保持建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的安全性和整體穩(wěn)定性。對建筑構(gòu)件進行耐火設(shè)計時應(yīng)考慮如下因素：1）建筑物的耐火等級；2）構(gòu)件的重要性；3）構(gòu)件的形式及其在建筑中的部位；4）建筑物內(nèi)的火災(zāi)荷載、可能的火災(zāi)強度、火災(zāi)的危

2、險性；5）防火分區(qū)的大小及其分隔方式；6）建筑物內(nèi)部滅火系統(tǒng)的設(shè)置情況及其可靠性和有效性；7）建筑物的重要性；8）消防隊是否能及時救援及其救援能力；9）人員安全疏散所需要的時間。正常情況下，建筑室內(nèi)火災(zāi)所產(chǎn)生的高溫煙氣將會上升到室內(nèi)頂棚或屋蓋下的空間內(nèi)。對于本工程的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系，其中起承重作用的鋼桁架及下拉索等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件會直接與熱煙氣接觸，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量將傳給鋼構(gòu)件。如果無外界條件干擾，鋼構(gòu)件的溫度將在一定時間內(nèi)不斷升高，結(jié)果可能導致構(gòu)件乃至整個結(jié)構(gòu)的失效。1 鋼結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)、耐火設(shè)計要求及計算條件火災(zāi)條件下，隨著鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的升高，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力將下降，當結(jié)構(gòu)的承載能力下降到與外荷

3、載（包括溫度作用）產(chǎn)生的組合效應(yīng)相等時，則結(jié)構(gòu)達到受火承載力極限狀態(tài)。當滿足以下條件之一時，則認為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到耐火承載力極限狀態(tài)：1）軸心受力構(gòu)件的截面屈服；2）受彎構(gòu)件產(chǎn)生足夠的塑性鉸而成為可變機構(gòu)；3）構(gòu)件喪失整體穩(wěn)定。從火災(zāi)發(fā)生到結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到耐火承載力極限狀態(tài)的時間為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限。對于鋼結(jié)構(gòu)，無論是構(gòu)件層次還是整體結(jié)構(gòu)層次的耐火設(shè)計，均應(yīng)滿足下列要求：（1）在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限的時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的承載力rd應(yīng)不小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng)sm，即rdsm；（2）在各種荷載效應(yīng)組合下，結(jié)構(gòu)的耐火時間td應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限tm，即tdtm；（3）火災(zāi)下，當結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度

4、均勻時，若取結(jié)構(gòu)達到承載力極限狀態(tài)時的內(nèi)部溫度為臨界溫度td，則應(yīng)不小于在耐火極限時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度tm，即tdtm。上述三個要求實際上是等效的，進行結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計時，滿足其一即可。目前，國家規(guī)范建筑設(shè)計防火規(guī)范（gbj16-87）和高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范（gb50045-95，2001版）對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚無明確的防火保護層厚度的具體規(guī)定。而我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程（cecs 200:2006）在考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件最不利內(nèi)力組合的基礎(chǔ)上，可以進行該類構(gòu)件的耐火計算和驗算。為了保證火災(zāi)時屋蓋體系的耐火安全，同時充分利用建筑鋼結(jié)構(gòu)中的新技術(shù)、新材料，選擇后者作為本工程鋼結(jié)構(gòu)屋

5、蓋體系耐火設(shè)計的依據(jù)。北京國際會展中心設(shè)計單位提供的屋蓋體系鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括桅桿、撐桿、索、桁架弦桿和腹桿等的耐火設(shè)計計算條件如下： 1）所有桿件耐火極限都要求達到2h；2）索材質(zhì)為預(yù)應(yīng)力鋼絲，桅桿材質(zhì)為q345c，其余構(gòu)件的材質(zhì)均為q345b；3）本工程的最不利荷載為：屋面恒荷載：屋面荷載0.4kn/m2，吊頂管線0.1kn/m2，下弦的吊掛荷載1.0kn/m2；屋面活荷載：展廳上空0.7kn/m2；風荷載：w1=0.4/1.4×10=2.85kn/m2；w2=-1.4/1.4×10=-10kn/m2；雪荷載：基本雪壓為0.40kn/m2（50年一遇）；4）本工程使用的厚

6、涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能應(yīng)符合國家有關(guān)標準cecs24: 90，1990鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范和gb14907-2002，2002鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂料性能指標要求見表1。表1 厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能指標要求項 目指 標粘結(jié)強度（mpa）0.04抗壓強度（mpa）0.3干密度（kg/m3）500熱導率w/（m.k）0.1160 0.1kcal/（m.h.）耐水性 （h）24耐凍融循環(huán)性（次）15耐火極限涂層厚度(mm)1520304050耐火時間不低于（h）1.01.52.02.53.0需要計算的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面規(guī)格及其在最不利荷載組合條件下構(gòu)件達到的最大應(yīng)力比等條件見表2。表6.2 鋼結(jié)構(gòu)

7、構(gòu)件表鋼構(gòu)件編號位置類型規(guī)格（mm）鋼材種類最不利荷載組合時構(gòu)件最大應(yīng)力比c4h下拉索鋼纜109預(yù)應(yīng)力鋼絲0.343012c1a上拉索鋼纜118預(yù)應(yīng)力鋼絲0.24993st1撐桿1鋼管18×273q345b0.445229m2a撐桿2鋼管36×950q345b0.293073wg桅桿壓桿鋼管36×2000q345c0.512012rpt2ff腹桿工字鋼h200×250×8×14q345b0.956623rpt3fx主桁架弦桿工字鋼h400×200×10×16q345b0.948998rst2ash次桁架弦

8、桿工字鋼h400×200×8×14q345b0.946771rbr12t上弦支撐工字鋼h400×450×18×30q345b0.954629對本工程的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行了防火保護層厚度的設(shè)計計算方案：根據(jù)設(shè)計單位提供的本工程最不利荷載作用，按照國家規(guī)范建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（gb50009-2001）進行承載力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)組合，即；然后按照我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程(cecs 200:2006)進行火災(zāi)下荷載效應(yīng)組合，即，暫不考慮溫度內(nèi)力。依據(jù)該規(guī)程的第5.2.3條，在內(nèi)力組合中不考慮溫度內(nèi)力的情況下，應(yīng)將計算所得的保護層厚度

9、增加30%作為構(gòu)件的保護層設(shè)計厚度。針對本工程最不利荷載的情況，可計算出兩部規(guī)范（程）荷載效應(yīng)組合比值的最大值為0.593。用0.593乘以最不利荷載下的最大應(yīng)力比作為火災(zāi)下的最大應(yīng)力比，同時根據(jù)我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程(cecs 200:2006)，將材料強度的設(shè)計值乘以鋼材耐火設(shè)計強度調(diào)整系數(shù)gr (一般可取gr =1.1)，據(jù)此進行防火保護層厚度的設(shè)計計算。2 計算過程和步驟2.1 截面特性計算構(gòu)件截面形式有如下三種：圓實心截面，圓管截面和h形截面。參考李國強、蔣首超、林桂祥著鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計(2006），三種截面的構(gòu)件截面形狀系數(shù)fi/v的計算公式如下，計算結(jié)果如表3

10、所示。1) 圓實心截面（李國強、蔣首超、林桂祥著鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計2006）2) 圓管截面（李國強、蔣首超、林桂祥著鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計2006）3) h形截面（李國強、蔣首超、林桂祥著鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計2006）表3 截面特性計算結(jié)果鋼構(gòu)件編號位置規(guī)格（mm）fi/v(1/m)c4h下拉索10936.7c1a上拉索11833.9st1撐桿118×27359.5m2a撐桿236×95028.9wg桅桿壓桿36×200028.3rpt2ff腹桿h200×250×8×14165.2rpt3fx主桁架弦桿h400×200

11、15;10×16156.7rst2ash次桁架弦桿h400×200×8×14184.7rbr12t上弦支撐h400×450×18×3077.42.2 保護層厚度計算計算時用到的鋼材和厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的材料特性如下：鋼材：密度：rs =7850kg/m3比熱：cs=600j/(kg.k)導熱系數(shù)：ls =45.0w/(m.k)。防火涂料：密度：ri =400kg/m3比熱：ci=1047j/(kg.k)導熱系數(shù)：li =0.116w/(m.k)。方案：當采用按我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程（cecs 200:200

12、6）進行荷載效應(yīng)組合獲得的最不利應(yīng)力比時，各構(gòu)件所需防火保護層厚度計算過程如下：計算過程：（以下拉索f109為例）一、輕質(zhì)保護層：1）計算耐火極限為2h時構(gòu)件溫度（構(gòu)件溫度的計算采用我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程（cecs 200:2006）公式6.3.1、公式6.3.3：初步選定保護層厚度為di =5mm保護層為輕質(zhì)保護層 =698由于ts>600超出適用范圍，因此di=5mm不滿足要求，增大di為7mm，計算得：b=544，ts=595.二分法取di=6，得b=709.53 ts=609 不滿足要求； 取di=6.5 b=654.95 ts=574 滿足要求但溫度不夠接近60

13、0 ；取di=6.3 b=675.75 ts=588 ，滿足要求 鋼的高溫材性：300ts800時，高溫下鋼材強度折減系數(shù)：3）保護層厚度的確定該構(gòu)件應(yīng)力比，其中，為火災(zāi)下構(gòu)件最大應(yīng)力，為鋼材強度設(shè)計值。由我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程公式7.2.1、公式7.2.2-1可知： 應(yīng)力比，其中，為高溫下鋼材強度折減系數(shù)，為鋼材抗火設(shè)計強度調(diào)整系數(shù)，取1.1。因此，di =6.3mm滿足要求?？紤]溫度應(yīng)力的影響，依據(jù)我國工程建設(shè)規(guī)范建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程（cecs 200:2006）第5.2.6條規(guī)定，應(yīng)將保護層厚度加大30%，此時di =8.2mm。二、非輕質(zhì)保護層：經(jīng)初步計算得該保護層為

14、非輕質(zhì)保護層，不能再用上面的方法直接計算，因此必須進行處理。過程如下：對截面形狀系數(shù)進行修正，修正后的截面形狀系數(shù)為：把數(shù)據(jù)帶入以上公式，得到=0.509，（以下其他構(gòu)件計算過程相同，就不在重復敘述）3 程序計算：程序使用說明:1、選擇鋼構(gòu)件的類型，根據(jù)不同類型的鋼構(gòu)件計算出截面形狀系數(shù)。2、選擇鋼構(gòu)件的位置，不同的位置數(shù)據(jù)參數(shù)（高，厚，寬等）程序已定義。保護層厚度程序隨機產(chǎn)生，知道計算結(jié)果ts足夠接近600 為止。1、下拉索（規(guī)格：f109）：2、上拉索（規(guī)格：f118）：3、撐桿1（規(guī)格：f18×273）：4、撐桿2（規(guī)格：f36×950）：5、桅桿壓桿（規(guī)格：f36&

15、#215;2000）：6、腹桿（規(guī)格：h200×250×8×14）:7、主桁架弦桿（規(guī)格：h400×200×10×16）:8、次桁架弦桿（規(guī)格：h400×200×8×14）:9、上弦支撐（規(guī)格：h400×450×18×30）: 3 計算結(jié)果匯總各個構(gòu)件的計算結(jié)果匯總表鋼構(gòu)件編號位置規(guī)格（mm）fi/v(1/m)構(gòu)件溫度（）保護層厚度（mm）c4h下拉索10936.75958.1c1a上拉索11833.95907.5st1撐桿118×27359.559713.0m2a

16、撐桿236×95028.95856.5wg桅桿壓桿36×200028.35936.2rpt2ff腹桿h200×250×8×14165.257338rpt3fx主桁架弦桿h400×200×10×16156.757436.1rst2ash次桁架弦桿h400×200×8×14184.757642.4rbr12t上弦支撐h400×450×18×3077.457217.9參考文獻1 李國強、蔣首超、韓林海、樓國彪著,鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計,中國建筑工業(yè)出版社，2006

17、2 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范（cecs 200:2006），2006附錄：vb程序代碼private sub command1_click()dim a, b, c, d, e, g, fv as single, ar as doublea = val(text1.text)b = val(text2.text)c = val(text3.text)d = val(text4.text)e = val(text5.text)g = val(text6.text)if option1.value = true then fv = 4 / a * 1000elseif option2.value =

18、 true thenfv = (a / (b * (a - b) * 1000elseif option3.value = true thenar = 2 * c * g + e * (d - 2 * g) fv = (2 * d + 4 * c - 2 * e) / ar) * 1000 end iftext7.text = round(fv, 1)end subprivate sub command2_click()text1.text = ""text2.text = ""text3.text = ""text4.text =

19、""text5.text = ""text6.text = ""text7.text = ""end subprivate sub command3_click()unload meend subprivate sub command4_click()dim fv, di, db, ts, x, y as singlefv = val(text7.text)dore: di = di + 0.0002db = 0.116 * fv / didb = format(db, "#.00")ts =

20、(sqr(0.044 + 0.00005 * db) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20loop until ts < 600text9.text = str(format(1000 * di), "#.0")y = 0.116 * fv / (val(text9.text) / 1000)x = (sqr(0.044 + 0.00005 * y) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20text10.text = round(x, 0)text17.text = round(y, 2)const i as single = 400, c a

21、s single = 1047, j as single = 7850, s as single = 600dim n as singlen = (i * c * (val(text10.text) / 1000) / (s * j) if n < 0.5 then text11.text = "是" else text11.text = "否" end if if option4.value = true then text12.text = "0.343012,#.#" elseif option5.value = true

22、 then text12.text = "0.24993,#.#" elseif option6.value = true then text12.text = "0.445229,#.#" elseif option7.value = true then text12.text = "0.293073,#.#" elseif option8.value = true then text12.text = "0.512012,#.#" elseif option9.value = true then text12.

23、text = "0.956623,#.#" elseif option10.value = true then text12.text = "0.948998,#.#" elseif option11.value = true then text12.text = "0.946771,#.#" elseif option12.value = true then text12.text = "0.954629,#.#" end if dim z as single, t as singlez = val(text12

24、.text)t = z * 0.593text13.text = format(t, "0.0000")dim m, f, d, tz, dz as singled = val(text9.text)f = val(text7.text)dz = 0.116 * f / (d / 1000)tz = (sqr(0.044 + 0.00005 * dz) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20m = 1.24 * 0.00000001 * (tz) 3 - 2.096 * 0.00001 * (tz) 2 + 9.228 * 0.001 * tz - 0.2168

25、text14.text = format(m, "0.0000")if val(text13.text) < 1.1 * m thentext15.text = "是"text16.text = format(val(text9.text) + val(text9.text) * 0.3, "0.0")elsetext15.text = "否"text16.text = ""goto reend ifend sub16private sub command5_click()text9.te

26、xt = ""text10.text = ""text11.text = ""text12.text = ""text13.text = ""text14.text = ""text15.text = ""text16.text = ""text17.text = ""end subprivate sub form_load()label1.left = 3000text1.left = 4200end subpri

27、vate sub option1_click()label1.visible = truelabel2.visible = falselabel3.visible = falselabel4.visible = falselabel5.visible = falselabel6.visible = falsetext1.visible = truetext2.visible = falsetext3.visible = falsetext4.visible = falsetext5.visible = falsetext6.visible = falseoption4.visible = tr

28、ueoption5.visible = trueoption6.visible = falseoption7.visible = falseoption8.visible = falseoption9.visible = falseoption10.visible = falseoption11.visible = falseoption12.visible = falselabel1.left = 3000text1.left = 4200text1.text = ""end subprivate sub option2_click()label1.visible = truelabel2.visible = truelabel3.visible = falselabel4.visible