建筑結(jié)構(gòu)與防火課程設(shè)計

1、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

2、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(dǎo)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

3、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（GBJ

4、16-87）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

5、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

6、標粘結(jié)強度（MPa）0.04抗壓強度（MPa）0.3干密度（kg/m3）500熱導(dǎo)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)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

7、.445229M2A撐桿2鋼管 36×950Q345B0.293073WG桅桿壓桿鋼管 36×2000Q345C0.512012RPT2FF腹桿工字鋼H 200×250×8×14Q345B0.956623RPT3FX主桁架弦桿工字鋼H 400×200×10×16Q345B0.948998RST2ASH次桁架弦桿工字鋼H 400×200×8×14Q345B0.946771RBR12T上弦支撐工字鋼H 400×450×18×30Q345B0.954629對本工

8、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

9、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、韓林海、樓國彪、蔣首超著鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(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所示。1) 圓實心截面（李國強、韓林海、樓國彪、蔣首超著鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計2006）2) 圓管截面（李國強、韓林海、樓國彪、蔣首超著鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計2006

10、）3) H形截面（李國強、韓林海、樓國彪、蔣首超著鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(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H400×200×10×16156.7RST2ASH次桁架弦桿H400×200×8×14184.7

11、RBR12T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(dǎo)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(dǎo)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 200:2006）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：1.下拉索（規(guī)格：F109）：1）計算耐火極限為

12、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)程公式6.2.1公式6.2.4）初步選定保護層厚度為di =6mm=36.70.0391保護層為輕質(zhì)保護層 =610鋼材溫度Ts>600，超出適用范圍，因此di =6mm不滿足要求，增大di 為6.2，計算得：B=686.65，Ts=5952）鋼的高溫材性高溫下鋼材強度折減系數(shù)0.2813）保護層厚度的確定該構(gòu)件應(yīng)力比=0.343012=0.343012=0.203，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4.1.3-1、公式4.1.3-3可知：應(yīng)力比0.203<

13、=0.309，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 =6.2mm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（DG/TJ08-008-2000），應(yīng)將保護層厚度加大30%，此時di =8.1mm。其余構(gòu)件計算過程與此類似，故在此不復(fù)贅述。為相關(guān)計算所編寫的程序界面如下：下拉索的計算結(jié)果如下：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：F36×2000）：6.腹桿（規(guī)格：H200×250×8

14、5;14）：因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度不滿足要求，須增加保護層厚度并重新計算。經(jīng)重新計算得保護層厚度為：7、主桁架弦桿（規(guī)格：H400×200×10×16）：因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度不滿足要求，須增加保護層厚度并重新計算。經(jīng)重新計算得保護層厚度為：8、次桁架弦桿（規(guī)格：H400×200×8×14）：即該保護層為非輕質(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。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，=147.2，代

15、入：因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度不滿足要求，須增加保護層厚度并重新計算。經(jīng)重新計算得保護層厚度為：9、上弦支撐（規(guī)格：H400×450×18×30）：因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度不滿足要求，須增加保護層厚度并重新計算。經(jīng)重新計算得保護層厚度為：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1 18×27359.559713.0M2A撐桿2 36

16、×95028.95846.5WG桅桿壓桿 36×200028.35936.2RPT2FF腹桿H 200×250×8×14165.257338.2RPT3FX主桁架弦桿H 400×200×10×16156.757735.9RST2ASH次桁架弦桿H 400×200×8×14184.757633.8RBR12T上弦支撐H 400×450×18×3077.457217.9參考文獻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，20

17、062 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范（CECS 200:2006），20063 宋占海、賈建東、宋東編著，建筑結(jié)構(gòu)基本原理（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，20064 李國強、韓林海、樓國彪、蔣首超著,鋼結(jié)構(gòu)及鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計,中國建筑工業(yè)出版社，20065 張艷著,新編Visual Basic程序設(shè)計教程,中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007附錄：VB程序代碼Private Sub Command1_Click()Dim d As Single, t As Single, h As Single, b As Single, d1 As Single, t1 As SingleDim FV As Si

18、ngle, dB As SingleDim Rs As Single, Cs As Single, Ls As Single, Ri As Single, Ci As Single, di As Single, Li As SingleDim T0 As Single, Tm As SingleDim msg As IntegerRs = Text8.Text: Ri = Text9.TextCs = Text10.Text: Ci = Text11.TextLs = Text12.Text: Li = Text13.TextT0 = Text15.Text: Tm = Text16.Text

19、 * 60 * 60di = 0.002If Option1.Value = True Then d = Text1.Text FV = 4000 / d Label5.Caption = "截面形狀系數(shù)Fi/V為：" + Str(Format(FV, "#.0") + " (1/m)"End IfIf Option2.Value = True Then d = Text1.Text t = Text2.Text FV = 1000 * d / (t * d - t * t) Label5.Caption = "截面形狀系數(shù)

20、Fi/V為：" + Str(Format(FV, "#.0") + " (1/m)"End IfIf Option3.Value = True Then h = Text3.Text b = Text4.Text d1 = Text6.Text t1 = Text7.Text FV = 1000 * (2 * h + 4 * b - 2 * d1) / (2 * b * t1 + (h - 2 * t1) * d1) Label5.Caption = "截面形狀系數(shù)Fi/V為：" + Str(Format(FV, "

21、;#.0") + " (1/m)"End If DoRE: di = di + 0.0002 dB = Li * FV / di dB = Format(dB, "#.00") Ts = Sqr(0.044 + 0.00005 * dB) - 0.2 Ts = Ts * Tm + T0 Loop Until Ts < 600 Ts = Format(Ts, "#") Label16.Caption = "防火保護層厚度di=" + Str(Format(1000 * di), "#.0&q

22、uot;) + "mm" If 2 * Ci * Ri * di * FV / (Cs * Rs) <= 1 Then Label17 = "該防火保護層為輕質(zhì)保護層" Label17.ForeColor = &H0& Else Label17 = "該防火保護層為非輕質(zhì)保護層" Label17.ForeColor = &HFF& msg = MsgBox(" 該防火保護層為非輕質(zhì)保護層", vbOKOnly, "提示") If msg = 1 Then F

23、V = InputBox("請輸入修正過的Fi/V值：", "提示") Label5.Caption = "截面形狀系數(shù)Fi/V為：" + Str(Format(FV, "#.0") + " (1/m)" di = 0 Do di = di + 0.0002 dB = Li * FV / di dB = Format(dB, "#.00") Ts = Sqr(0.044 + 0.00005 * dB) - 0.2 Ts = Ts * Tm + T0 Loop Until Ts

24、 < 600 Ts = Format(Ts, "#") Label16.Caption = "防火保護層厚度di=" + Str(Format(1000 * di), "#.0") + "mm" If 2 * Ci * Ri * di * FV / (Cs * Rs) <= 1 Then Label17 = "該防火保護層為輕質(zhì)保護層" Label17.ForeColor = &H0& End If End If End If Label18.Caption = &q

25、uot;截面保護層參數(shù)B=" + Str(dB) Label19.Caption = "鋼材溫度Ts=" + Str(Ts) + "" Label20.Caption = "高溫下鋼材強度折減系數(shù)T=" + Str(Format(0.0000000124 * Ts * Ts * Ts - 0.00002096 * Ts * Ts + 0.009228 * Ts - 0.2168, "#.000") Label21.Caption = "該構(gòu)件應(yīng)力比f/f=" + Str(Format(

26、0.593 * Val(Text14.Text), "#.000") If (0.593 * Val(Text14.Text) < (1.1 * (0.0000000124 * Ts * Ts * Ts - 0.00002096 * Ts * Ts + 0.009228 * Ts - 0.2168) Then Label22 = "因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度滿足要求" di = Format(1.3 * di * 1000, "#.0") Else Label22.Caption = "

27、" Label23.Caption = "" msg = MsgBox(" 因為該構(gòu)件應(yīng)力比折減系數(shù)×1.1，所以保護層厚度不滿足要求，須增加保護層厚度", vbOKOnly, "提示") If msg = 1 Then GoTo RE End If End If Label23.Caption = "考慮溫度應(yīng)力的影響，由規(guī)范規(guī)定應(yīng)將保護層厚度增加30%，即此時di為：" + Str(di) + "mm"End SubPrivate Sub Command2_Click()Text1.Text = ""Text2.Text = ""Text3.Text = ""Text4.Text = ""Text6.Text = ""Text7.Text = ""Text14.Text = &