火灾对钢结构稳定性的影响

　　摘要：至今还不可能由结构分析来计算火灾的结构影响。在不可能确定的情况下，现有的规程常常给设计人留有自行决定的余地。然而最近的许多研究已朝着有可能分析结果火灾影响的方向迈进了一步这样便将火灾同样的处理成一种外加负荷。
　　关键词：结构分析；火灾荷载；耐火极限等级
　　大多数国家的防火规程，对结构及其构件的设计与构造，有关火灾条件下的性能，或多或多或少地带有严格地强制规定性质，这些规定主要是依据经验制定的。
　　然而最近的许多研究已朝着有可能分析结果火灾影响的方向迈进了一步，这样便将火灾同样的处理成一种外加负荷，相应的方法已包含于荷兰瑞典和瑞士所推行的规范中，德国在工业建筑中估算火灾影响的程序已包括于DIN18230中〔1〕。
　　一、火灾作为一种结构荷载
　　为了计算火灾对结构承重构件的影响，并决定构件的尺寸和构造，必须进行下列研究：
　　火灾荷载的估计；火灾特性的测定；构件中热传导的测定；构件的温度计算；构件设计。
　　火灾荷载：火灾荷载可由一个给定空间内所有可燃材料的总量及其燃烧所释放的热量来计算，有建筑物永久的装修和配件构成的火荷载部分，可在设计阶段加以确定，而由建筑物内可移动的东西构成的那部分只能以有关该类建筑的统计资料为基础加以确定。
　　建筑物火势增长率：这是以研究建筑物的区段或房间中时间温度曲线来表示的特性，瑞典规程提出了一个计算曲线的方法，有火灾荷载值以及所研究空间的窗洞口大小，高度以及封闭表面总面积之间的比值来计算。另一个计算办法是，通过等效火灾持续时间的测定，实际的火灾可以换算成标准的火灾，由符合标准曲线的标准火灾和等效火灾将得出对结构构件同样的最大温度影响。
　　构件温度：从火灾中包围结构构件的气体温度，可以算出传给构件的总热量，考虑到有各种外包层或覆面层形成的隔热能力，每个构件的温度应分别计算。
　　构件设计：如果这种外包层或覆面层能防止結构构件的升温超过临界值，则该构件设计本身就不必考虑火灾的外加荷载，因为在温度以下构件仍能承受容许荷载，但是倘若计算表明承重截面上的升温会超过，则钢结构应采用减少容许应力的方法进行设计〔2〕。
　　二、火灾荷载
　　火势增长率：任何特定材料的性能特征，是由发生燃烧的区域内形成的时间温度曲线表示的，这一曲线又可以进而与国际标准时间温度曲线找到关系，结构构件的耐火等级是根据这条直线规定的，这可以用一个等级指数m乘以火灾荷载求得，m是根据耐火能力试验已予确定的实际应用关系。一些材料的时间温度曲线以及同一种材料所做的试验性火灾荷载效应说明实际火焰的温度绝大多数大于低于标准曲线，虽然在火焰初期时的一段段时间内记录到较高的温度是可能的。DIN18230中设定的等级指数m考虑了单位体积的可燃材料的表面积。以材料的厚度d表示，因为有较大表面积的薄片的可燃材料，要比一整块同类材料燃烧的更为猛些。
　　比较：按照法令规定，在学校，办公室，医院等建筑物中出现的实际火灾荷载，与木家具一起规定为q80Mcal。这是建立在对这类实际建筑物大量调查的基础知识之上的，欧洲钢结构建筑协会就若干行政建筑内480个办公室等房间的可燃物进行统计提出的资料，其平均值q92Mcal。这些房间的火灾荷载，有90低于164Mcal，有95低于188Mcal。
　　三、结构构件的耐火极限等级
　　除了允许以实际希望的时间温度曲线为基础计算极限荷载的情况以外，结构构件是按照他们在耐火实验中能继续承受和在作用的最短时间来分级的，在试验炉中标准火焰曲线确定温度是时间的函数，耐火能力就这样划分为几个等级，每一级都比前一级长30分钟。标准曲线是国际公认的，耐火极限等级也为世界各国广为采用〔3〕。
　　承重构件：承重构件应在承受容许工作荷载的条件下进行试验，若这一点实际上做不到，则钢柱的温度平均不允许超过400，而个别的不应超过500。耐火极限等级为F90及其以上的柱子，再处于热状态时应能经受喷水骤然冷却作用，不至于开裂或包壳散裂而裸露出钢材。自F90级以上结构构件的重要组成部分也应当用A级材料构成，而F180等级的构件应整个由A类材料构成。
　　非承重构件：在耐火实验中非承重构件不应因其自重而倒坍。
　　空间封闭构件：这些构件应能阻止火焰贯通，不直接接触火焰的表面不应产生可燃气体，在墙体靠火焰一边平均温度不应超过140个别构件也不应超过180。耐火极限等级F90以上的这些部分，凡在遭破坏后允许火焰无阻挡地通过的，应以A级材料构成，而按耐火极限等级F180设计的空间封闭构件，应当全部用不燃材料构成。
　　封闭空间的顶棚，F90级以上的，应包含一个厚度至少50mm由A级材料构成的连续密实的薄层，隔墙应在承受火灾试验之后能经受一次2的冲击试验。
　　防火墙：防火墙应与耐火极限等级为F90的空间封闭墙体构造相同，全部采用A类材料，不能有空洞，并能在偏心荷载与冲击试验下保持稳定性，此外还应满足所用材料的最小厚度要求。
　　外墙：外墙应能阻止火焰在建筑物外面一层层地向上蔓延，这种墙体所要求的耐火能力，应包括设备固定件以及覆面板节点，在火灾中不至于引自重而塌落，也不能降低附着力，外墙的内表面要经受整个标准火焰曲线的试验，而其外表面积需经受650就行，当建筑物外表暴露于火灾中时，墙的饰面层不应出现可燃气体，建筑物内部着火时，墙的外表面平均温度不能超过140个别的不能高于180。
　　防火物障：本论文所指的包括耐火极限等级自F30至F180的门，墙上类似的隔板，顶棚，以及防火墙，均应满足专门要求。其他规程还包括电梯间的门，玻璃窗，屋面覆盖层以及空气管道等。
　　四、结语
　　当个别截面上达到破坏温度时通常并不一定会引起这个结构构件的破坏，按弹性理论设计的超静定结构仍然具有强度储备，一根连续梁中某个别截面首先打到破坏温度时在那个截面上使产生一个塑性铰，但梁依然保持它的承载力，在火灾情况下一根连续钢梁在若干个跨距内出现挠曲，使梁主要是受拉，假如整个体系仍然是一个连续的整体依靠连接构造设计这就提供了强度储备，既可以采用更高的临界温度数值，如果充分考虑了这些关系就可能缓和必须满足的严格要求，节省防火费用，这一点在使用较薄的保护材料等方面已得到证实。
　　参考文献
　　〔1〕陈骥。钢结构稳定理论与设计〔M〕。科学出版社，2014。
　　〔2〕李国强。多高层建筑钢结构设计〔M〕。中建筑工业出版社，2004。