建筑結構耐火設計

第六章建筑結構耐火設計一、建筑結構的倒塌與破壞二、裸露鋼結構的耐火性能三、鋼結構耐火保護方法四、鋼結構臨界溫度計算五、鋼結構耐火保護層厚度計算六、鋼結構受火災危害后的鑒定與修復一、耐火設計的現(xiàn)狀（一）僅限規(guī)范中耐火等級的劃分這種方法1、對建筑構件進行耐火試驗（標準條件）確定耐火極限。2、所選構件滿足規(guī)范，認為滿足防火要求。（二）存在問題1、不同于實際火災2、荷載、邊界條件不同3、耐火試驗爐尺寸有限二、新的設計方法根據(jù)建筑結構在火災實際中“設計受火狀況”，確定其結構承載力。承載力＞火災時有效荷載，安全。第一節(jié)建筑結構的倒塌破壞一、結構倒塌破壞的概念（一）建筑物——結構——構件組成結構的部分支承荷載，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、地基基礎破壞引起房屋整體倒塌（1）砌體強度安全系數(shù)太小，施工質量低劣。（2）未經(jīng)勘察就設計，地基的允許承載力遠遠低于實際荷載，造成地基嚴重不均勻沉降，導致房屋倒塌。（3）將基礎置于凍土層上，開凍后因地基下沉造成房屋倒塌。（4）將基礎置于護坡上，因護坡失穩(wěn)坍塌，導致房屋倒塌。（5）地基土壤為“裂隙性粘土”(膨脹土)，在長期雨水的浸泡下，使土膨脹塑化，地耐力迅速減弱，造成地基下沉，基礎折斷，上部結構隨之倒塌。（6）樁基破壞造成房屋倒塌。（7）房屋建筑的基礎，被鄰近工程開挖時掏空造成房屋倒塌。2、柱、墻等垂直結構破壞引起房屋整體倒塌（1）磚柱、磚垛、窗間墻、空斗墻的設計安全系數(shù)太小，再加施工質量不好造成的事故。（2）磚柱、磚墻在空曠建筑中的承載能力有較大幅度的降低。（3）磚柱、磚墻在承受集中荷載的部位，設計未考慮做大梁的粱墊，或是施工中未按設計做梁墊或做小了，使柱頂、墻頂局部承壓力不夠面被壓碎。（4）磚柱、磚墻施工質量低劣也常引起柱、墻破壞，造成房屋倒塌事故。（5）柱、墻在施工中失穩(wěn)倒塌。

3、鋼筋混凝土框架結構倒塌

（1）由缺乏建筑結構知識的負責設計，造出形似框架而實非框架的結構，柱、梁截面過小，配筋嚴重不足，節(jié)點構造錯誤，導致框架結構破壞倒塌的事故。（2）有的新結構不但沒有增加安全系數(shù)，反而降低了安全系數(shù)造成結構破壞倒塌。（3）預制裝配式鋼筋混凝土框架結構在施工中失穩(wěn)倒塌。（4）由于混凝土受凍，造成倒塌。（5）由于采用了安全性不合格水泥，造成框架結構爆破拆除。

4、屋架破壞引起屋蓋塌落

（1）鋼筋混凝土屋架、屋面梁破壞塌落。（2）木屋架和鋼木屋架破壞。絕大多數(shù)都是無證設計和施工造成的。（3）鋼屋架破壞塌落。（4）特殊屋蓋結構破壞塌落。因鋼絲銹蝕破壞，引起屋蓋塌落；梁板合一的特殊屋蓋結構破壞塌落；屋蓋在拆建時違規(guī)操作，造成倒塌；5、粱、板破壞倒塌事故

（1）由缺乏建筑結構知識的人負責設計，造成大梁截面太小，配筋嚴重不足，受載后折斷倒塌。（2）因任意變更設計而造成倒塌。（3）施工質量低劣，混凝土強度達不到設計要求，造成大梁斷塌。（4）在樓板上大量堆放材料、構件、砂漿等，大大超過其承載能力，造成樓板斷塌。（5）預制板生產(chǎn)質量低劣，不合格就出廠，造成到現(xiàn)場安裝后斷裂塌落。（6）預制板采用了堿骨料，造成酥裂破壞。（7）施工人員缺乏建筑結構基本知識，盲目蠻干，造成樓板倒塌。（8）因空心板鋼筋銹蝕，導致板斷塌。

6、磚拱結構倒塌（1）拱腳處必須設置可靠的抗推結構。（2）要重視磚拱拱體的設計和施工質量。（3）注意拆模時間。7、懸臂結構塌落

（1）抗傾覆安全系數(shù)太小造成倒塌。（2）鋼筋的位置、構造及陽臺等根部的厚度不合理。（3）要掌握拆模的時間。陽臺等懸挑結構不同于一般粱板，混凝土強度一定要達到設計強度后才能拆除承重模板韻頂撐。拆除時還要考慮原設計的抗傾覆荷重是否都已加上，如尚未全部壓上即拆模，也會發(fā)生傾覆。8、房屋改建加層引起倒塌

在原有建筑物上加蓋樓層，是擴大使用面積的一種辦法。但必須核算原有地基基礎、墻、柱、梁、板的承載能力。多年來由于任意加層不經(jīng)結構核算而造成的倒塌事故時有發(fā)生，這應是引以為戒的。9、房屋使用不當引起倒塌（1）遼寧某廠窯房的鋼筋混凝土柱子與窯相距只有14cm，投產(chǎn)后由于爐體失修，火焰噴出，把柱子烤酥，混凝土標號從C20降到相當于C5，投產(chǎn)13年后，因柱子首先破壞，整個屋蓋倒塌，造成死亡12人，重傷10人和重大經(jīng)濟損失的特大事故。（2）青島某廠轉爐車間建成后屋頂兩年未清掃，天窗擋風屏側積灰高達80cm，局部荷載達到2000kg／m2，由于嚴重超載，屋面倒塌。青海某廠積灰高度達31．5cm。（3）黑龍江齊齊哈爾某廠汽機房屋面因嚴重超載塌落。由于汽機脫氧器溶解氧超標運行，被迫排出大量氣體集于屋面凍結成冰，塌落后掉下的最大冰塊厚度為620mm，比設計活荷載大了四倍。1、木結構表面被燒蝕，削弱了承重斷面。2、鋼結構受熱變形破壞。3、磚砌體因受熱變形而開裂破壞。4、鋼筋砼結構由于持續(xù)高溫承載力下降。5、結構因爆炸沖擊沖擊震動而破壞。6、因上部結構倒塌引起結構破壞。7、滅火射水所致。二、火災情況下結構倒塌破壞原因三、建筑結構倒塌的一般規(guī)律1、順序：上→下，吊頂→屋頂→墻→柱2、木結構、鋼結構易發(fā)生倒塌破壞，預應力鋼砼，不僅易，而且早且突然。3、木結構屋頂，整個倒塌的少，局部破壞的多，鋼結構屋頂則多發(fā)生整體或較大的破壞。4、結構形式：簡支構件、懸壁結構等超靜結構，易于倒塌破壞，三絞拱、薄殼結構屋頂?shù)牡顾茐亩嗍钦w的，桁架結構在火災情況下，破壞發(fā)生的早，且往往是大面積破壞。5、房屋的墻一般是向里倒。第二節(jié)裸露鋼結構的耐火性能一、鋼材的高溫力學性能1、應力-應變曲線2、有效屈服強度

YT：鋼材在某一溫度水平Ts時的實際屈服強度或條件屈服強度。=1.0(Ts≤300oC）750－Ts（300oC＜Ts≤750oC）4500（Ts＞750oC）

σYTσY20二、鋼材的截面溫度分布q=－

dTdX三、構件的截面系數(shù)截面系數(shù)：構件單位長度內受火面積F與其體積V之比。F/V↑，耐火程度↓1、構件在火災時有效荷載作用下，截面上產(chǎn)生初始應力。2、受彎構件隨溫度升高強度下降，最終全面屈服。鋼結構由單一材料組成，溫度分布均勻，截面呈薄壁狀，受火面積大，火災中升溫快，強度降低嚴重。裸露鋼結構耐火極限為15min。四、構件的破壞過程第三節(jié)鋼結構耐火保護方法一、鋼結構防火保護材料要求：1、安全無毒。

2、易與鋼構件結合。

3、在預期內能有效保護鋼結構。

4、鋼構件受火發(fā)生變形時，防火保護材料仍保持原有保護作用。（一）混凝土1、可以延緩金屬構件的升溫，而且可以承受與其面積和剛度成比例的一部分荷載。2、根據(jù)耐火試驗，耐火性能最佳的粗集料為石灰?guī)r卯石集料；花崗巖、砂巖和硬煤渣集料次之；由石英和燧石顆粒組成的粗集料最差。3、決定混凝土防火能力的主要因素是厚度。（二）石膏具有較好的耐火性能，高溫下可釋放出20%的結晶水被火災的熱量所氣化，火災中石膏一直保持相對的穩(wěn)定狀態(tài)，直至完全脫水?？勺龀砂宀恼迟N于鋼構件表面；可制成灰漿，涂抹或噴涂到鋼構件表面。

1、石膏板：普通、加筋重量輕、施工快而簡便，不需專用機械，表面平整可做裝飾層。

2、石膏灰漿用礦物石膏做膠結材料，用膨脹珍珠巖或蛭石作輕骨料。（三）礦物纖維最有效的輕質防火材料，不燃燒，抗化學侵蝕，導熱性低，隔音性能好。

1、礦物纖維涂料：由無機纖維、水泥類膠結料以及少量的摻合料配成。加摻合料有助于混合料的浸潤、凝固和控制塵灰飛揚。

2、礦棉板巖棉板，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類），厚涂型（H類）B類：適用于室內裸露鋼結構，有裝飾要求的底層涂料、面層涂料：涂層2-7mm，耐火1.5h，又稱鋼結構膨脹防火涂料。四川：LB鋼結構：3mm-0.5h;5mm-1.0h;6mm-1.5hH類：稱無機防火隔熱涂料，適用于隱蔽結構及耐火極限＞1.5h的保護。涂層7-80mm，極限1.5-4hLG型：8mm-0.5h;12mm-1.0h;17mm-1.5h27mm-2.0h;32mm-2.5h;37mm-3.0hLF溶劑型：1.7mm-1.5hSCB超薄型：1.5mm-1h;2mm-1.5h（五）選用原則1、必須具有國家級檢測中心出具的合格的檢測報告。2、應根據(jù)鋼結構的類型特點、耐火等級和使用環(huán)境，選擇符合性能要求的防火涂料。（1）根據(jù)建筑部位選用涂料：隱蔽鋼結構：隔熱型；裸露鋼屋架：薄型（2）根據(jù)工程的重要性選用重要工業(yè)：厚涂；民用：薄涂（3）根據(jù)耐火極限要求選用（4）根據(jù)使用環(huán)境選用（一）截流法：1、原理：截斷或阻滯火災產(chǎn)生的熱流量向構件的傳輸，從而使構件在規(guī)定時間內溫升不超過其臨界溫度。2、分類：（1）噴涂法用噴涂機具將防火涂料直接噴涂在構件表面，形成保護層。二、鋼結構耐火保護方法1)注意：承受沖擊振動的梁設計涂層厚度＞40mm粘結強度小于0.05MPa的涂料腹板高度大于1.5m的梁涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網(wǎng)，以確保涂層牢固。

2）應用：可用于任何一種鋼構件的耐火保護。（2）包封法1）用耐火材料把構件包裹起來。澆砼包封；不燃材料包封；鋼絲網(wǎng)抹灰2）注意①采用硬質防火板材包封時，板材可用粘結劑或鋼件固定。當包封層數(shù)大于兩層時，各層板應分別固定，板縫應相互錯開，其距離≮400mm。②用軟質板材包封，應用薄金屬板或其它不燃性板材包裹起來。③采用混凝土作保護時，混凝土中應布置一定量細鋼筋或鋼網(wǎng)片以防爆裂。3）應用：梁、柱、壓型鋼板樓板的保護。（3）屏蔽法1）把鋼構件包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內。2）注意：吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應嚴密，防止竄火3）應用：屋蓋系統(tǒng)的保護。鋼結構建筑防火保護案例（4）水噴淋法在結構頂部設噴淋供水管網(wǎng)，火災時，自動啟動（或手動）開始噴水，在構件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護作用。二、疏導法（一）原理：將傳到構件上的熱量導走或消耗掉，從而使構件溫度不致升高到臨界溫度，以此起到保護作用。（二）方法：充水冷卻保護在空心封閉截面（柱）中充滿水，火災時構件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導走，構件溫度維持在100oC。三、預應力鋼筋混凝土樓板防火要求（一）增加預應力樓板保護層厚度（二）板底抹灰（三）在預應力板中配入適量的非預應力鋼筋，可防止預應力板在高溫下驟然斷裂。（四）使用預應力混凝土樓板防火涂料1、106預應力混凝土樓板防火隔熱涂料以無機、有機復合物體粘和劑，配以珍珠巖、硅酸鋁纖維等絕熱、吸熱、膨脹和增強材料，用水作溶劑，經(jīng)混合攪拌而成。2、TA預應力樓板防火涂料用45號以上普通硅酸鹽水泥或礦渣水泥為粘結材料，以膨脹珍珠巖等材料為骨料配制而成。涂8mm，耐火極限達到1.6h以上。原料豐富、價格低、施工方便，防火隔熱性能好，涂層厚度小，自重小，耐火極限提高的幅度大。第四節(jié)鋼構件臨界溫度計算一、定義臨界溫度：當構件在火災有效荷載作用下，遭受火燒達到極限狀態(tài)時的溫度。有效荷載：構件在火災時實際承受的重力荷載。PF=1.1G＋∑ΨiQi構件承受的可變荷載標準值可變荷載準永久值系數(shù)構件承受的永久荷載標準值二、荷載系數(shù)θ

1θ1=PF/P常溫時的設計荷載σyTσy20=750－Ts450令σyT=σ0，Ts=Tc得：Tc=750－450σ0σy20設構件內重力分布影響系數(shù)為θ2,則臨界溫度計算式為：Tc=750-450θ1θ2,一端固定，一端絞支：θ2=2/3兩端固定梁或連續(xù)梁內跨：θ2=1/2其余：θ

2=1.0當Tc＞550oC時，取Tc=550例1、A3鋼簡支梁，截面為工32a，有效荷載與設計荷載之比θ1=0.665，求臨界溫度：θ1=0.665

θ2=1.0

解：例2：某鋼柱，其有效荷載與設計荷載之比為0.7，求臨界溫度。

解：練習:同上條件，改為兩端固定梁，求臨界溫度。第五節(jié)鋼結構耐火保護層厚度計算一、保護材料的性質及分類1、熱物理性質2、平衡含水率3、保護材料的分類（1）按吸熱能力：輕型保護材料、重型保護材料ξ=cρFD2csρ

sV≤1/4等式成立為輕型，否則為重型cs

、ρ

s鋼材的比熱和密度D——保護材料的厚度，V——構件單位長度的體積（2）按含水率大小βρD2≤25等式成立為干保護材料，不成立為含水保護材料β——保護材料的平衡含水率二、導熱微分方程假定（1）保護材料外表面的溫度等于試驗爐內平均溫度。（2）由外部傳輸?shù)臒崃咳肯挠谔岣邩嫾捅Ｗo材料的溫度，不計其它熱損失。分析：λ（一）輕型干保護材料層厚度計算由αt=λDFV得：D=λ·FV·1αt查表6-3得

t值，查表6-4得F/V計算式，已知λ，得D。（二）重型材料的保護層厚度計算1、先按輕型干保護材料求出初定厚度2、求出，判定是否屬于重型材料，如果是，進行修正。3、令t=λDFV11＋ξ求得D值（三）含水保護材料保護層厚度的計算當選用含水材料作保護層時，溫度上升到100oC，水分蒸發(fā)，吸收的熱量大部分用于蒸發(fā)水分，而材料溫度基本不升高。水分蒸發(fā)完后，材料溫度重新上升，此后，升溫曲線與干材料相似，處處滯后時間tv，即水分蒸發(fā)所占時間。tv=βρ

D’25λ(min)D’——初定厚度β——保護材料的平衡含水率計算步驟：1、按輕型干材料確定初定厚度D‘2、當tv≤5,為干材，即為所求3、當tv＞5時，對D‘進行修正4、對原定耐火時間進行修正，用t－tv重新查表，求α5、以修正后的α代入求厚度計算式（四）重型含水材料保護層厚度計算1、按輕型干材料求初定厚度2、對D‘進行吸熱修正3、對D’’進行含水修正，求最后施用厚度。例1、已知簡支梁Tc=451oC，h=0.32m,b=0.13m,=0.01m,A=67×10－4m2,若采用周邊噴涂防火涂料，其=1.0w/m.oC，石膏板作箱型包封，求其耐火時間為90min時保護層厚度。解（1）求初定厚度D′：（2）對D′進行吸熱修正：屬重型材料，需進行吸熱正：（3）對D″進行含水修正：

以t-tv=90-14≈75min,Tc=450℃,查表6—3得

再由公式：第六節(jié)鋼結構受火災危害后的鑒定與修復一、受損程度的檢查和試驗（一）火災現(xiàn)場調查1、時間、地點、燃燒時間2、可燃物種類3、火災蔓延情況4、燃燒條件（二）收集建筑物原始資料1、平、立、剖面圖2、結構形式、尺寸、強度、性能、裝修情況（三）受害部分的外觀檢查和試驗1、根據(jù)火場特征判斷火燒程度如：片狀玻璃軟化或粘狀——700-750oC

變團——800oC

流動——850oC砼；＜200。灰青；

300-500淺灰白

500-700淺灰白-淺紅

700-800灰白-淺黃＞800淺黃材料名稱物品名稱狀態(tài)近似溫度／℃聚苯乙烯食品盒、泡沫、燈罩、把手、衣勾和無線電包裝塌陷、燒軟、熔化或流動

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

120120～140聚甲基丙烯酸酯把手、蓋子、天窗、玻璃軟化、起泡

130～200250聚氯乙烯(PVC)電纜、管子、排泄管、襯套、外殼、把手、旋鈕、家用器皿、玩具、瓶子褪色、冒煙、變成褐色、燒焦

100150200400～500纖維木材、紙、棉花變黑

200，300焊縫鉛制品焊接品熔化

250鉛鉛制品衛(wèi)生器具、玩具、固定件熔化、邊沿鈍化、形成滴狀

300～350350～400鋁及鋁合金包裝、支架、機械零件軟化、熔化

400600玻璃窗玻璃、瓶子軟化、邊沿鈍化、流動或呈黏性熔化

500，-600800900材料名稱物品名稱狀態(tài)近似溫度／℃銀珠寶、勺子、餐具形成滴狀、熔化(特別在邊緣)

950900～1000黃銅門鎖、開關、門把手、扣子形成滴狀、熔化

950～10501000～1100銅電線、電纜、裝飾品熔化

1100～1200鑄鐵散熱器、管于形成滴狀

1150～1250鋅衛(wèi)生器具、燭臺、下水管形成滴狀、熔化

400420青銅窗戶、緊固件、門鈴和裝飾品邊沿鈍化、形成滴狀

900900～1000涂料燒毀

250木材起火

2402、觀察構件受損傷情況。注意發(fā)現(xiàn)節(jié)點、支座、跨中及