高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的相關(guān)

1、題 目高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的相關(guān)概述 姓 名 學(xué) 號(hào) 授課教師 2012年6月5日高層建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的相關(guān)概述摘 要：鋼材具有材質(zhì)均勻、塑性和韌性好、強(qiáng)度高、自重輕、制造周期短、施工速度快、造型美觀、可塑性強(qiáng)、符合可持續(xù)發(fā)展政策等優(yōu)點(diǎn)，因而在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)越，如何采取合理的設(shè)計(jì)方法發(fā)揮這種優(yōu)勢(shì)值得大家投入精力。另外，鋼材耐腐蝕性差、耐熱不耐火、低溫下會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這些不足之處設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施加以避免。關(guān)鍵詞：高層；鋼結(jié)構(gòu)；抗震；防火A description of the High-rise steel structure technologyA

2、bstract: Steel has many advantages, which makes it more and more important in the building of modern constructions. The mechanical property of steel is uniform; it can perform well after it is yelled. High strength to weight ratio, less time needed to produce and constriction, easy to be transformed

3、, environmental friendly, all of this are the inherent advantages of steel. Steel structure performs well in earthquake, so it worth to put full word to study the method of anti-seismic design. Also, steel has disadvantages, such as, easy to corrosion, cant stay long in fire, brittle rupture in cryo

4、genic environment. Designers need to take measured to prevent those disadvantages.Key word: High-rise buildings; Steel structure; anti-seismic design; Fire prevention1前言由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的原因，我國(guó)80年代前還沒有鋼結(jié)構(gòu)建筑。80年代中期，由于外資工程的興建、建筑用鋼材的發(fā)展，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑開始在我國(guó)出現(xiàn)。1985年，我國(guó)興建了第1幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑“深圳發(fā)展中心大廈”。此后，隨著改革開放的深入和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層鋼結(jié)構(gòu)陸續(xù)在深圳、上

5、海、北京等地建成。已建成的上海金茂大廈（88 層，421m高 ）和環(huán)球金融中心（101層，492m高）使我國(guó)的高層建筑進(jìn)入世界前列。與此相適應(yīng)，我國(guó)在高層鋼結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)軟件的編制、設(shè)計(jì)能力及各項(xiàng)配套的工藝方面均取得較大的進(jìn)展，在鋼結(jié)構(gòu)的制作及安裝方面的國(guó)產(chǎn)化已具有相當(dāng)水準(zhǔn)。鋼材在材料性質(zhì)上與混凝土存在很大的不同，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)建筑與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑存在很大的差異，鋼結(jié)構(gòu)主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：11、鋼材材質(zhì)均勻鋼材的機(jī)械性能和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合，其內(nèi)部組織接近于各向同性，材質(zhì)波動(dòng)范圍小，為理想的彈性材料，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的，實(shí)際受力狀態(tài)和工程力學(xué)計(jì)算的結(jié)果比較

6、符合2、鋼材的塑性和韌性好鋼結(jié)構(gòu)在一般條件下不會(huì)因超載而突然發(fā)生斷裂現(xiàn)象，鋼材能夠?qū)⒕植扛叻鍛?yīng)力重新分配，使應(yīng)力變化趨于平緩，僅會(huì)增加應(yīng)變值。同時(shí)，由于鋼材具有良好的塑性和韌性，對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)，在地震作用下通過結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能夠較多地吸收地震能量，從而大大提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能。而且，地震作用下鋼結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，建筑的抗側(cè)剛度會(huì)下降，結(jié)構(gòu)自振周期會(huì)變大，相應(yīng)的地震反應(yīng)系數(shù)會(huì)下降，地震反應(yīng)變緩，能夠有效的改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。從實(shí)際的震害調(diào)查中也可以看到，全鋼結(jié)構(gòu)的震害很輕，即使是在震中附近的高烈度區(qū)也是如此。3、鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，同等荷載情況下，鋼結(jié)構(gòu)柱

7、截面面積小，從而增加建筑的有效使用面積。和用于建造荷載很大的高大或重型建筑相比，一般高層鋼結(jié)構(gòu)柱的截面面積比高層混凝土結(jié)構(gòu)柱的截面面積減少近一半。鋼結(jié)構(gòu)建筑自重輕，約為同層高度混凝土結(jié)構(gòu)建筑自重的1/23/5，可以使基礎(chǔ)的造價(jià)降低。這個(gè)優(yōu)勢(shì)在南方的軟土地區(qū)尤為明顯。4、鋼結(jié)構(gòu)的制造周期短、施工速度快鋼結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)通過焊接或螺栓進(jìn)行整體組裝，可以全天候作業(yè)。由于鋼結(jié)構(gòu)本身可以作為勁性結(jié)構(gòu)承擔(dān)結(jié)構(gòu)荷載和施工荷載，施工時(shí)不必支模、拆模，因此不僅降低成本，而且大大加快施工速度。鋼結(jié)構(gòu)的施工速度約為混凝土結(jié)構(gòu)施工速度的1.5倍左右。5、鋼結(jié)構(gòu)造型美觀，可塑性強(qiáng)相對(duì)于其他形式而言，鋼

8、結(jié)構(gòu)建筑可以極大程度地超越結(jié)構(gòu)的束縛，創(chuàng)造多種形式的空間和形象，產(chǎn)生輕盈靈巧、通透的效果。斜線、曲線作為鋼結(jié)構(gòu)建筑一種常用的造型手段，創(chuàng)造出許多新奇、優(yōu)美的建筑形象，其強(qiáng)大的造型潛力是磚混結(jié)構(gòu)所難以企及的。新建的央視大樓就是個(gè)中典型。5、鋼結(jié)構(gòu)建筑符合可持續(xù)發(fā)展政策鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)綠色環(huán)保建筑產(chǎn)業(yè)，它對(duì)資源、能源的利用相對(duì)合理，對(duì)環(huán)境破壞相對(duì)較少，是解決環(huán)境問題的突破口。鋼材是一種具有很高的再循環(huán)價(jià)值材料，邊角料都可以回收利用。對(duì)同樣規(guī)模的建筑物，鋼結(jié)構(gòu)建造過程中有害氣體的排放量只相當(dāng)于混凝土結(jié)構(gòu)的65% 。鋼結(jié)構(gòu)為干施工，很少使用砂、石、土、水泥等散料，從而從根本上避免了塵土飛揚(yáng)、廢物堆積和

9、噪聲等污染問題。正是由于鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)和民用建筑之中，取得了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，如各種類型的工業(yè)廠房，大跨度場(chǎng)館建筑，多層、高層建筑和各種高聳構(gòu)筑物，輕鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑、油罐、海上采油平臺(tái)等板殼結(jié)構(gòu)及其他特種結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好，但是配套的理論設(shè)計(jì)方法還需要進(jìn)一步完善。鋼材耐腐蝕性差、耐熱不耐火、低溫下會(huì)發(fā)生脆性斷裂，這些不足之處也需要采取必要的防護(hù)措施加以彌補(bǔ)。2抗震設(shè)計(jì)2.1高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)有兩類途徑，一類是對(duì)外荷載實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)跟蹤和預(yù)測(cè)，并通過作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力來改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，這就是通常所說的主動(dòng)控制方法；另一類是通

10、過改善結(jié)構(gòu)本身的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)變量的控制或優(yōu)化，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。2我國(guó)現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，是以承載力為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，通常選取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相應(yīng)應(yīng)力特別是拉應(yīng)力為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)；但歷次震害表明，結(jié)構(gòu)破壞、倒塌的主要原因是變形過大，超過了結(jié)構(gòu)能承受的變形能力，因此在20世紀(jì)90年代，美國(guó)學(xué)者提出了基于位移的抗震設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)的變形作為抗震設(shè)計(jì)時(shí)的控制指標(biāo)，要求結(jié)構(gòu)的變形值要滿足在地震作用下的變形要求。我國(guó)是以振型分解反應(yīng)譜法為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的，由大量地震反應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)平均確定。盡管地震反應(yīng)譜的計(jì)算理論是經(jīng)典的，只要地震記錄準(zhǔn)確，獲得的地震反應(yīng)譜也將準(zhǔn)確，但是長(zhǎng)周期下對(duì)應(yīng)的地震反應(yīng)譜的取值

11、不是很準(zhǔn)確。而高層建筑鋼結(jié)構(gòu)自振周期較大，地震反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段的錯(cuò)誤對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響將不能忽略，因此對(duì)于長(zhǎng)周期段的地震反應(yīng)譜還需要更深的研究。另外，鋼結(jié)構(gòu)阻尼小，按現(xiàn)行抗震規(guī)范的計(jì)算方法，在考慮結(jié)構(gòu)延性以后地震作用力減小的同時(shí)又因阻尼比降低而加大。上述兩個(gè)原因使得鋼結(jié)構(gòu)用鋼量偏高。2.2 高層鋼結(jié)構(gòu)罕遇地震分析中的幾種計(jì)算機(jī)技術(shù)3使用非線性有限元方法進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析是防止高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下倒塌的有效手段對(duì)于較高和重要的高層建筑結(jié)構(gòu)，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建議進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析以了解結(jié)構(gòu)的抗震性能但是，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行可信、有效的非線性動(dòng)力時(shí)程分析仍是十分困難的，

12、主要表現(xiàn)在:(1)對(duì)結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制，地震作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待進(jìn)一步深入，抗震分析方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。(2)缺乏準(zhǔn)確而高效的分析工具。雖然各種通用有限元軟件功能日益強(qiáng)大，但進(jìn)行專業(yè)性很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)倒塌分析仍有其不足之處，開發(fā)專業(yè)性分析軟件仍十分必要。(3)資源耗費(fèi)量龐大大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)通常在104以上，進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析不但需要耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間，還要采取特殊的存儲(chǔ)和數(shù)值計(jì)算方法。面向?qū)ο蟮挠邢拊夹g(shù)、結(jié)構(gòu)分析的可視化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、稀疏矩陣存儲(chǔ)和求解技術(shù)應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的罕遇地震分析方法實(shí)用而高效。2.2.1面向?qū)ο蟮挠邢拊夹g(shù)自從1990年F

13、enves首先提出面向?qū)ο笥邢拊椒?Object Oriented Finite Analysis Method)以來，面向?qū)ο笥邢拊夹g(shù)受到了廣泛的關(guān)注和研究。但多數(shù)學(xué)者著重于方法論和矩陣類庫的構(gòu)建上，將面向?qū)ο笥邢拊椒☉?yīng)用于實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)罕遇地震非線性動(dòng)力分析中，取得了較好的效果。本文從“封裝”、“繼承” 、“多態(tài)”等面向?qū)ο蠡咎卣鞒霭l(fā)進(jìn)行了高層建筑結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析程序的系統(tǒng)構(gòu)建，克服了以往結(jié)構(gòu)化編程方法的一些缺點(diǎn)和局限性，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：首先，要建立有限元分析的求解域，即對(duì)有限元求解域進(jìn)行“封裝”。本文非線性動(dòng)力有限元分析包含的基本元素和計(jì)算方法可以劃分為如下圖所示的類結(jié)構(gòu)

14、，其中節(jié)點(diǎn)類封裝了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)自由度等成員變量；節(jié)點(diǎn)角位移修正，形成節(jié)點(diǎn)方向矩陣等成員函數(shù)單元類封裝了單元?jiǎng)偠?、質(zhì)量、阻尼矩陣等成員變量；形成單元?jiǎng)偠?、質(zhì)量、阻尼矩陣，計(jì)算單元內(nèi)力、應(yīng)力等成員函數(shù)。方程求解器類封裝了總剛度矩陣、總質(zhì)量矩陣、總阻尼矩陣、荷載矩陣、位移矩陣等成員變量；子空間迭代求解結(jié)構(gòu)模態(tài)，位移增量法或弧長(zhǎng)法確定荷載增量，NewtonRaphson迭代法求解非線性方程，NewmarkB法求解動(dòng)力微分方程等成員函數(shù)。矩陣類封裝了矩陣的加、減、乘、除、轉(zhuǎn)置和求逆等矩陣運(yùn)算這種面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)構(gòu)建使得“有限元類”的“成員變量”對(duì)于外界來說是不可見的，任何改變只能通過“成員函數(shù)

15、”這一接口來實(shí)現(xiàn)這樣就在很大程度上避免了數(shù)據(jù)與操作交織在一起可能造成的混亂，程序的編制、維護(hù)、擴(kuò)充和重復(fù)利用也因此而變得輕松?！袄^承”使得有限元分析的體系結(jié)構(gòu)得以建立，例如具備彈塑性性質(zhì)的“彈塑性梁?jiǎn)卧悺笨梢詮摹傲簡(jiǎn)卧悺迸缮贸?，它不但繼承了粱單元的所有特性，并且具有其自身特有的成員函數(shù)和成員變量?！岸鄳B(tài)”使得面向?qū)ο蠓椒ǜ屿`活，在C+中“多態(tài)”的實(shí)現(xiàn)是通過“虛函數(shù)”來實(shí)現(xiàn)的。本文的“板單元類”、“桁架單元類”和“梁?jiǎn)卧悺钡葐卧愋投际菑摹皢卧悺迸缮玫?。由于所有的“單元類”都具有“形成單剛”成員函數(shù)，所以在 “單元類”中定義一個(gè)純虛函數(shù)“形成局部坐標(biāo)系下的單剛”；而在“板單元類”、

16、“桁架單元類”和 “梁?jiǎn)卧悺敝羞M(jìn)行該函數(shù)的實(shí)際定義。這樣只要告訴程序“形成單元局部坐標(biāo)系下的單剛”，程序通過“后期聯(lián)編”自動(dòng)識(shí)別是哪種單元，并且自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的成員函數(shù)。2.2.2 DAO數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)管理方式的高效、易用是高層建筑結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析實(shí)用化的重要方面，本文采用的DAO(Databases Access Object)數(shù)據(jù)庫管理方式不但存取、查詢數(shù)據(jù)的速度快，而且與整個(gè)系統(tǒng)的面向?qū)ο髽?gòu)建能夠很好的對(duì)應(yīng)。使得整個(gè)分析過程的前、后處理和核心計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。在有限元分析中應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以首先建立與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有關(guān)的表類，包括：控制表類(CCo- ntrolSet)，節(jié)點(diǎn)

17、表類(CNodeSet)，單元表類(CEle- mentSet)，材料表類(CMaterialSet)，實(shí)常數(shù)表類 (CConstantSet)，荷載表類(CLoadSet)等等。建立了這些表類之后就可以在有限元分析的前、后處理和核心計(jì)算模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)的有序存儲(chǔ)和調(diào)用了。本文用到的MFC(Macrosoft Foundation Class)類庫封裝的DAO類包括，通過CdaoDatabase對(duì)象建立數(shù)據(jù)庫，生成記錄集對(duì)象CDaoRecordset進(jìn)行查詢、刪除、更新等工作，表結(jié)構(gòu)信息對(duì)象Cd-aoTablelnfo用于改變數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)字段定義對(duì)象，CDaoField lnfo來進(jìn)行獲得、改變

18、數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)。2.2.3稀疏矩陣求解技術(shù)高層建筑結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力分析所涉及的剛度、質(zhì)量、阻尼、力矩陣的規(guī)模是十分龐大的。以兩千個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)為例，如果不加任何處理，其總體剛度矩陣所占內(nèi)存將在100M字節(jié)以上。這是無法令人承受的但是這些矩陣有一個(gè)共同特點(diǎn)是稀疏的，也就是說這些矩陣的零元素占到整個(gè)矩陣的80以上通常的節(jié)省系統(tǒng)資源的方法是使用半帶寬求解技術(shù)使用半帶寬求解技術(shù)可以在很大程度上減小矩陣的規(guī)模，但是一方面會(huì)降低求解的效率，而且所節(jié)省的系統(tǒng)資源也是有限的。解決問題的最好方法是采用稀疏矩陣算法。稀疏矩陣的使用表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是稀疏矩陣的存儲(chǔ)。另一方面是稀疏矩陣方程組的求解可以使用鏈表的形式對(duì)

19、稀疏矩陣非零元素進(jìn)行存儲(chǔ)稀疏矩陣方程組的求解不同于普通方程組的求解，以非線性方程組的求解為例，應(yīng)用修正的NewtonRaphson迭代求解非線性方程組時(shí)，實(shí)際上是進(jìn)行了分步線性化因?yàn)樾枰?，同一稀疏線性方程組要求解多次，并且只改變右端項(xiàng)，或每次僅改變稀疏矩陣的非零項(xiàng)，而稀疏矩陣的格式不變因此，在這類問題中應(yīng)用稀疏矩陣解法，不僅可以減小系統(tǒng)資源的占用，而且可以明顯的提高計(jì)算效率實(shí)踐表明，稀疏矩陣的應(yīng)用使得系統(tǒng)資源耗用顯著降低，求解速度顯著加快。結(jié)構(gòu)的規(guī)模越大，系統(tǒng)自由度越多，稀疏矩陣的優(yōu)勢(shì)就越明顯。使用一些現(xiàn)有的稀疏矩陣運(yùn)算軟件包是比較方便的實(shí)現(xiàn)稀疏矩陣算法的選擇。ISIS+， YSMP， S

20、MMS，Matlab C+Library等等很多軟件包都實(shí)現(xiàn)了對(duì)稀疏矩陣的操作尤其是一些面向?qū)ο蟮能浖鏜atlab C+Library使用起來十分方便，使用者不必知道過多的理論細(xì)節(jié)就可以完全利用稀疏矩陣算法的各種好處，這從一個(gè)方面也體現(xiàn)了面向?qū)ο蠓椒ㄓ糜谟邢拊治龅木薮髢?yōu)勢(shì)。2.3高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震研究展望國(guó)際上公認(rèn)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則是“小震不壞，大震不倒”。為防止高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下嚴(yán)重破壞(如產(chǎn)生較大層間殘余變形)或倒塌，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的極限變形。而進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算需解決的關(guān)鍵問題是，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的恢復(fù)力模型和整體結(jié)構(gòu)的彈塑性分析模型。實(shí)際地震地面運(yùn)動(dòng)

21、總是多維的。由于結(jié)構(gòu)剛度偏心或質(zhì)量偏心及扭轉(zhuǎn)地面運(yùn)動(dòng)的影響，建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)地震反應(yīng)通常表現(xiàn)為平扭耦合振動(dòng)形式。多維地震作用和平扭耦合振動(dòng)，均使得高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)為空間形態(tài)。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析，是國(guó)際上工程結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域難度很大的前沿課題。3防火設(shè)計(jì)2001年9月11日上午，發(fā)生了讓世界震驚的“911”事件。著名建筑師山崎實(shí)在紐約的標(biāo)志性建筑世界貿(mào)易中心成為恐怖分子襲擊的目標(biāo)，兩架空中客機(jī)撞擊了貿(mào)易中心的兩座塔樓，一個(gè)小時(shí)后，兩座塔樓先后垮塌，這座著名的高層建筑灰飛煙滅，這個(gè)高層鋼結(jié)構(gòu)的倒塌在建筑界引起了極大的轟動(dòng)，鋼結(jié)構(gòu)的防火成為一時(shí)的話題。以鋼結(jié)構(gòu)為主的金屬結(jié)構(gòu)的崛起

22、與發(fā)展，全新的結(jié)構(gòu)形式、材料特性使建筑防火遇到新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的砌體與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身就是耐火結(jié)構(gòu)，與它們不同的是，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身不是耐火構(gòu)件，不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限僅為1020 min，因此鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)成為安全設(shè)計(jì)的主要問題。3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)條件下的破壞機(jī)理火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的熱量是以輻射和對(duì)流傳給結(jié)構(gòu)構(gòu)件的，即使構(gòu)件是不燃的，由于溫度上升也會(huì)引起膨脹和強(qiáng)度的降低。熱膨脹引起構(gòu)件伸長(zhǎng)，或兩側(cè)受熱不均時(shí)引起構(gòu)件彎曲，產(chǎn)生位移或約束力，在剛性框架結(jié)構(gòu)中，由于橫梁伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的約束增大，可能把柱子從其承載處推開，使結(jié)構(gòu)受到破壞，引起垮塌。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度升高時(shí)，強(qiáng)度會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在達(dá)到

23、屈曲強(qiáng)度時(shí)會(huì)有很大的塑性變形，肉眼很容易觀察。很多研究成果表明，當(dāng)溫度不超過600時(shí)，在恒定荷載作用下，鋼材的變形過程可以考慮為不依賴于時(shí)間的過程，其徐變的影響可以包括在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中(圖2是高溫下屈服強(qiáng)度為255 N/mm2鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線)。在最低溫度20時(shí)，承受240 N/mm2左右的應(yīng)力時(shí)應(yīng)變?yōu)?.54mm；在臨界溫度600時(shí)，同樣應(yīng)變?yōu)?.54mm時(shí)，只能承受約30 N/mm2左右的應(yīng)力，相差了約7倍。因此，高溫時(shí)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀況十分不利，防火設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì)過程中十分重要的一環(huán)。3.2鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的理論闡述鋼結(jié)構(gòu)的“抗火設(shè)計(jì)”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)用語，將抵抗

24、火災(zāi)與抵抗重力、抵抗風(fēng)荷載、抵抗地震作用相提并論，通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取防火保護(hù)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(shí)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)抵御火災(zāi)影響(包括溫度應(yīng)力、高溫材性變化等)，需要考慮荷載與約束條件，此時(shí)火災(zāi)是一種結(jié)構(gòu)荷載，影響承重構(gòu)件的尺寸和構(gòu)造 總而言之，“抗火設(shè)計(jì)”可以歸結(jié)為設(shè)計(jì) “結(jié)構(gòu)防火”保護(hù)措施，使構(gòu)件在承受確定外荷載條件下，滿足“結(jié)構(gòu)耐火”時(shí)間要求。這些要求是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)規(guī)范制定的基礎(chǔ)。以下是抗火設(shè)計(jì)的幾種方法：1)基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)：一種簡(jiǎn)單、直觀的方法，通過對(duì)不同構(gòu)件(梁、柱)在規(guī)定荷載分布和標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下進(jìn)行耐火試驗(yàn)，確定在采取不同防火措施后構(gòu)件的耐火時(shí)間。

25、我國(guó)現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GBJ6-87)中關(guān)于鋼粱和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。由于無法考慮荷載分布與大小、構(gòu)件端部約束狀態(tài)的影響，此法有很大的缺陷，是最基本的、最原始的方法。 2)基于計(jì)算的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法：以有限元或經(jīng)典解析分析方法為主，進(jìn)行理論研究，考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)影響的鋼構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)。上梅市標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程即采用此法。 3)基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法：以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目的，基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)。此法尚未有適于工程實(shí)用的方法被有關(guān)規(guī)范采納。 4)考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法：概率可靠度是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可或缺的因素，結(jié)構(gòu)抗火的概率

26、可靠度設(shè)計(jì)必須考慮火災(zāi)與空氣升溫的隨機(jī)性。這涉及到另一門學(xué)科的研究，有待發(fā)展。 以上考慮的是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的途徑來設(shè)計(jì)金屬結(jié)構(gòu)的抗火能力，然而改變不了金屬結(jié)掏本身不能抗火的事實(shí)，也許隨著材料工業(yè)的發(fā)展，這個(gè)問題能得到最終的解決，但不是現(xiàn)在，現(xiàn)在的金屬結(jié)構(gòu)仍要依靠不同的外在保護(hù)措施才能達(dá)到對(duì)它的不同耐火極限的要求。3.3鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施有很多種從原理來分主要可以分為屏蔽型和涂料型 這兩種方法都是外保護(hù)的措施，原理很簡(jiǎn)單但難免有治標(biāo)不治本之弊。 1、屏蔽型防火 屏蔽型防火的原理是通過將金屬構(gòu)件用耐火材料與火源隔斷，從而保護(hù)鋼構(gòu)件。從建筑構(gòu)造的角度看有以下幾種常見形式： 1

27、)在一些特殊的部位設(shè)置防火屏障，將火源隔開，起到防火墻的作用(圖3)。如：鋼梁下安裝防火平頂、鋼柱外側(cè)設(shè)置一定寬度的防火板等，可以省卻鋼桁架、鋼桁架等的防火保護(hù)層。在室內(nèi)防火處理時(shí)，有時(shí)可以采用這種方法將火災(zāi)發(fā)生頻率高的防火分區(qū)與主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件隔離開。另外，在很多現(xiàn)代金屬建筑中有一種結(jié)構(gòu)外露的現(xiàn)象，除了展現(xiàn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的力量美之外，在防火方面也很有益處。金屬構(gòu)件置于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外圍。并保持一定的距離，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)金屬構(gòu)件可以免受火焰的作用，隔墻板則可以起到隔熱的作用，而且在發(fā)生火災(zāi)的情況下外部空氣保證了自然通風(fēng)，起到了自然冷卻金屬構(gòu)件的作用，也是一種變相的防火屏障。2)使用餛凝土與耐火磚完全封閉

28、鋼構(gòu)件?；炷僚c磚是天然的耐火材料，它們本身具有耐火性能，根據(jù)厚度的不同耐火極限也不同，因此可以使用混凝土或磚來包裹鋼構(gòu)件，使鋼構(gòu)件達(dá)到一定的耐火極限。上海浦東的世界金融大廈的鋼柱即采用這種方法。但是，混凝土與磚的耐火極限隨著厚度的增加而增加，因此采用這種防火措施的鋼構(gòu)件通常身材睫腫占地較多，同時(shí)在一些構(gòu)件上的施工也較為困難，特別是鋼梁、斜撐等構(gòu)件。同時(shí)也不利于材料的經(jīng)濟(jì)節(jié)約，在要求達(dá)到通透輕盈效果的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，采用這種保護(hù)方法是很困難的。 3)采用耐火輕質(zhì)板材作為防火外包保護(hù)層。耐火輕質(zhì)板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸鈣、蛭石、陶瓷纖維、巖棉、礫石這些耐火、無毒的物質(zhì)，加工成板材以后，通過

29、不同的構(gòu)造方法制成保護(hù)層。有采用軟性的陶瓷纖維氈纏繞在鋼構(gòu)件上的，有使用摻無機(jī)纖維硅鈣板、蒸壓輕質(zhì)混凝土板、無機(jī)纖維強(qiáng)化石膏板、擠壓成型水泥、預(yù)制混凝土板直接貼敷的。2、涂料型防火涂料型防火的原理較為簡(jiǎn)單，通過涂抹耐火的涂料來抵抗火焰。通常防火涂料分為兩種：薄型和厚型，也可以說是膨脹型和非膨脹型1)薄型涂料(膨脹型涂料)：涂膜厚度為12 mm。常溫下較穩(wěn)定。火災(zāi)時(shí)受熱起泡、膨脹數(shù)十倍，形成隔熱性能極佳的碳化層，保護(hù)鋼構(gòu)件不受火災(zāi)的毀損。這種耐火材料制成的保護(hù)層很薄，色彩多樣裝飾性能極佳。適合于結(jié)構(gòu)外露的金屬建筑，有助于展現(xiàn)金屬構(gòu)件的力量美。薄型耐火涂料的構(gòu)成很簡(jiǎn)單。經(jīng)過對(duì)鋼構(gòu)件的基底清理和涂完

30、防銹漆(底漆)之后，涂刷具有耐火性的耐火底襯(中間涂層)。接著涂敷外保護(hù)層(外飾層)就可 了。耐火底襯在常 溫下穩(wěn)定。一旦受熱就會(huì)起泡和膨脹，形成含有氣態(tài)成分的、絕熱的碳化層 耐火底襯由四種材料制成：觸媒，通常是聚磷酸銨；碳素源及碳水化臺(tái)物等；樹脂或粘結(jié)劑；發(fā)泡劑 受熱時(shí)。碳素源與從觸媒放出的無機(jī)酸相結(jié)臺(tái)，形成碳化層，在粘結(jié)劑溶化的同時(shí)，發(fā)泡劑發(fā)生分解，產(chǎn)生二氧化碳、氨、 水蒸氣等氣體。粘結(jié)劑變成泡沫狀，將碳化層鼓起，形成 到漆膜原有厚度幾十倍的含有氣態(tài)的絕熱層。耐火底襯的漆膜厚度的大小決定了金屬構(gòu)件不同的耐火時(shí)間。最近，從有關(guān)資料獲悉，有一種高強(qiáng)混凝土也可以用來做鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料，它的厚度相

31、當(dāng)于薄型防火涂料的厚度，依靠混凝土自身的耐火強(qiáng)度來支持鋼結(jié)構(gòu)，可以使用噴涂法施工。2)厚型涂料(非膨脹型涂料)：主要為無機(jī)絕熱材料，受熱不膨脹，自身有良好隔熱性，涂層厚度不等，可有750mm，對(duì)應(yīng)耐火極限為0.53 h以上，以蛭石、珍珠巖、礦物纖維為主要絕熱骨料，分為干、濕法施工，現(xiàn)在也有混合施工法。另外，還有其他的一些防火措施，如：水冷卻法，即在空心截面的鋼柱內(nèi)充水，與設(shè)在高處或頂部的水箱相連，形成封閉的冷卻系統(tǒng)。受熱時(shí)，鋼柱內(nèi)部產(chǎn)生水循環(huán)，將熱量帶走，但是這種方法需特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比較復(fù)雜，很少使用。美國(guó)匹茲堡的美國(guó)鋼鐵公司大廈就使用了這種防火方法。3.4對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防火的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)在不斷研究

32、開發(fā)出新的防火板材材料的同時(shí)，研究可以耐火的鋼材是全世界從事鋼結(jié)構(gòu)研究的工程師們共同努力的目標(biāo)。1）采用不同的防火極限 火災(zāi)的發(fā)展?fàn)顩r通常是通過火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到的 在鋼結(jié)構(gòu)的建筑中，同一種建筑類型可以采用不同的防火極限。對(duì)于可燃物少的建筑和空同大的房屋，不是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的火災(zāi)加熱法來測(cè)試，而是根據(jù)可能設(shè)定的、與用途相吻合的加熱條件來測(cè)試，可以相應(yīng)降低鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保護(hù)層厚度。 2）對(duì)建筑物進(jìn)行耐火設(shè)計(jì)根據(jù)建筑物火災(zāi)的規(guī)定、建筑的使用材料以及施工方法等的不同對(duì)建筑進(jìn)行單體評(píng)估。通過對(duì)火災(zāi)溫度和發(fā)生時(shí)間、鋼材溫度和相關(guān)時(shí)間的測(cè)定以及對(duì)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的承載力、變形和相關(guān)時(shí)間的測(cè)定來評(píng)測(cè)鋼材的溫度、結(jié)構(gòu)的變形是

33、否滿足要求。3）被動(dòng)防火與主動(dòng)防火的結(jié)臺(tái) 在鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)中考慮主動(dòng)的防護(hù)保護(hù)措施，如噴水裝置。在一棟發(fā)生火災(zāi)但未失穩(wěn)的建筑物里，致命的危險(xiǎn)是煙而不是火，噴水裝置可以切斷煙氣有效的保障生命 在英國(guó)卡丁頓進(jìn)行的一系列大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)堪稱世界上最大規(guī)模的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，包括一棟八層鋼結(jié)構(gòu)建筑物，它的結(jié)果可能導(dǎo)致新的防火規(guī)范的產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件和實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形有很大的出入 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，梁的溫度達(dá)到 700就可以引發(fā)1/30梁跨的撓曲，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中梁的撓曲是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的3/4，證明建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能較單獨(dú)計(jì)算構(gòu)件的耐火性更好。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明柱子是結(jié)構(gòu)安全最重要的構(gòu)件，而且當(dāng)梁的溫度

34、達(dá)到1 100幾乎失去承載能力時(shí)，金屬?gòu)?fù)合樓板盡管已經(jīng)變形但沒有倒塌，使建筑結(jié)構(gòu)的耐火性大大超過當(dāng)前的假設(shè)。在鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)的設(shè)計(jì)與防護(hù)方面將有更大的發(fā)展，陳了鋼材本身成分的改變成為耐火鋼以外，還將通過結(jié)構(gòu)計(jì)算的處理讓鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時(shí)發(fā)揮最好的承載能力。3.5 現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的不足當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)規(guī)范 一所采用的方法是根據(jù)建筑物類別定出耐火等級(jí)，然后根據(jù)耐火等級(jí)規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者則根據(jù)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，計(jì)算火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間是否符合規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求。然而，隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗火提出的更高要求，現(xiàn)行規(guī)范體現(xiàn)出以下不足5： (1)結(jié)構(gòu)耐火極限要求主要考慮了發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)

35、性、建筑的重要性和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性，未從人員安全逃生及結(jié)構(gòu)性能要求的角度，考慮綜合經(jīng)濟(jì)及生命損失最小的目標(biāo)； (2)結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間基于IS0834升溫曲線確定。而現(xiàn)有的研究表明，真實(shí)火災(zāi)與火荷載密度、通風(fēng)條件、建筑形式等因素密切相關(guān)，ISO834曲線并不能反應(yīng)火災(zāi)的真實(shí)情況； (3)以單獨(dú)構(gòu)件是否達(dá)到火災(zāi)下的極限狀態(tài)來確定結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間，因未考慮整體結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的相互影響，因而是不真實(shí)的； (4)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)是一種格式化的設(shè)計(jì)方式，規(guī)范對(duì)特定情況下的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)要求作出了明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)人員僅限于被動(dòng)的選擇。3.6 結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計(jì)基本思想由于建筑物千變?nèi)f化，而建筑抗火設(shè)計(jì)要求本質(zhì)上可各

36、不相同，因此傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)科學(xué)性還不強(qiáng)，即有時(shí)會(huì)偏于保守，有時(shí)又會(huì)不安全。而結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計(jì)不明確規(guī)定某項(xiàng)解決方案，而是確定設(shè)計(jì)目標(biāo)及能達(dá)到要求的可接受的方法 。下圖給出了結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計(jì)的一般層次化結(jié)構(gòu)，包括設(shè)計(jì)總體目標(biāo)、功能目標(biāo)、性能要求及認(rèn)為合適的各種解決方案與方法。3.7 結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)與功能目標(biāo)1、總體目標(biāo) 建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是： (1)不致因結(jié)構(gòu)破壞影響建筑內(nèi)人員的逃生及消防人員滅火； (2)不致因結(jié)構(gòu)破壞使建筑火災(zāi)損失更大。 2、功能目標(biāo) 為滿足總體目標(biāo)的要求，建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的功能目標(biāo)包括： (1)某些部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)整體在火災(zāi)發(fā)生

37、后的一定時(shí)間內(nèi)不能坍塌，以保證建筑內(nèi)的人員有足夠的時(shí)間逃生，并使消防人員有足夠的時(shí)間滅火； (2)某些部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下不能產(chǎn)生影響繼續(xù)使用的變形或倒塌，以使火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的功能能盡快恢復(fù)，以減小建筑火災(zāi)的間接經(jīng)濟(jì)損失，使建筑火災(zāi)總的損失最小。 3.8結(jié)構(gòu)抗火性能化設(shè)計(jì)的性能要求 1、 與功能目標(biāo)1對(duì)應(yīng)的性能要求 性能要求A：結(jié)構(gòu)某些部位的構(gòu)件在火災(zāi)發(fā)生后一定的時(shí)間t 內(nèi)，應(yīng)具有足夠的承載力。性能要求B：結(jié)構(gòu)某些部位的子結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生后一定的時(shí)間t 內(nèi)，應(yīng)具有足夠的承載力。性能要求C：整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生后一定的時(shí)間 t 內(nèi)，應(yīng)具有足夠的承載力。 2、與功能目標(biāo)2對(duì)應(yīng)的性能要求 性能要

38、求D：結(jié)構(gòu)某些部位的構(gòu)件或整體結(jié)構(gòu)，由火災(zāi)產(chǎn)生的殘余變形不能超過一定的限值，以減小建筑火災(zāi)的間接經(jīng)濟(jì)損失。使建筑火災(zāi)總的損失最小。由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性要求，殘余變形的限值建議為：主梁 1/400次梁 1/250 柱 h/300 其中，l 為梁的跨度，h為柱的高度。3.9 結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間t1t3的確定t1 與t2的確定 性能要求A與B的主要目的是保障建筑物內(nèi)人員有足夠的時(shí)間逃生。設(shè)火災(zāi)中建筑物內(nèi)人員逃離建筑物內(nèi)某一區(qū)域所需時(shí)間為T1，則該區(qū)域內(nèi)所有構(gòu)件及子結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間應(yīng)不小于T1，見下式。t1，t2T1可見，不同區(qū)域構(gòu)件的耐火時(shí)間t1和t2的要求不同。對(duì)于高層建筑，低層部位構(gòu)件的耐火時(shí)間應(yīng)大于高層部位構(gòu)件的耐火時(shí)間；而對(duì)于大跨度建筑，近出口處構(gòu)件的耐火時(shí)間應(yīng)大于遠(yuǎn)離出口處構(gòu)件的耐火時(shí)間。 t3的確定 性能要求C的目的，除需保障建筑物內(nèi)人員有足夠的時(shí)間逃生外，尚應(yīng)保障消防人員有足夠的時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)滅火。設(shè)建筑物內(nèi)全部人員逃生所需時(shí)間為T2 ，消防人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)且能控制火勢(shì)所需時(shí)間為T3。則 t3max(T2，T3)3.10性能要求D的目標(biāo)性能要求D是經(jīng)濟(jì)最優(yōu)要求，設(shè)結(jié)構(gòu)防火成本為 P，結(jié)構(gòu)受火破壞修復(fù)所需成本為R，結(jié)構(gòu)受火破壞造成建筑功能喪失引起的間接經(jīng)濟(jì)損失為L(zhǎng)，則性能要求D的目標(biāo)要求見下式。G=min(P+R+L)顯然，結(jié)構(gòu)受火