生难布1性能化钢结构构件耐火极限确定方法研究倪照鹏1公安部天津消防研究所摘要建筑结构师在结构设计时应将火灾作为另一种荷载充分加以考虑 特别是对于钢结构 目前 国内外绝大多数建筑构件的耐火设计都是按照强制性的建筑防火规范要求进行设计验算 确定其相关隔热保护措施或防火保护设施来满足要求 在进行建筑物性能化消防设计时 则是先结合传统荷载对结构进行火灾荷载和火灾风险评估分析然后再进行设计 本文总结和比较了国内外的有关研究成果和标准规定 提出了依据建筑具体特性确定建筑构件耐火极限的方法并给出了设计示例关键词钢结构构件耐火极限火灾性能化消防设计1前言建筑构件的耐火极限是建筑被动防火体系中的重要参数之一 对于实现阻止火灾的发减小火灾危险灭火和控火防止财产损失保护人员的疏散安全和方便灭火救援等安全目标发挥着重要作用但由于建筑形式多样建筑功能复杂用途千差万别导致建筑物内可燃物的燃烧性能 热值及其数量规范统一规定的耐火极限要求进行设计分布和集度等均存在较大差异其方案必然会存在某些不科学按照现行国家不合理之处免使所设计的结构出现达不到预期的功能消防安全水平或因提供不必要的保护措施而增加消防投资与建筑成本 客观上使其具有一定局限性的性能化设计方法则是解决这些问题的途径之一而当今以消防安全工程学为基础本文将尝试根据建筑物的结构平面布局与布置功能和用途内部火灾荷载及其分可燃物的燃烧特性等具体情况讨论建筑构件耐火性能的设计方法注倪照鹏男1966 年生硕士副研究员公安部天津消防研究所规范室主任主要研究方向为建筑防火与消防技术规范PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn2356781.21,2331.1国内外研究概况由于大型复杂建筑物或高层超高层建筑物以及部分其他建筑等的建设需要钢结构应用越来越广泛 钢结构构件的耐火保护和耐火极限的确定也受到重视 基于计算的钢结构构件耐火性能确定方法是建筑物性能化消防设计的一部分 也是当前国内外建筑消防安全工程领域内的重点课题之一国内外相关研究主要集中在以下几个方面1 高温下材料本构关系 如钢材和混凝土在高温下的强度 弹性模量及全过程曲线等高温下材料热工性能如高温下钢材的热导率比热容重及膨胀系数等钢结构构件和结构内部温度场的研究与分析计算4 钢结构构件在高温环境中的破坏特征 不同构件形状或尺寸 不同受火方式的影响规律构件和结构的耐火极限及全过程分析钢结构构件的耐火保护层计算结构构件耐火试验方法结构构件的耐火理论及相应的标准编制钢结构在火灾条件下的整体耐火性能Cardington 试验室等国内外建筑结构耐火设计的主要方法如法国 CTICM 的 J.Kruppa 等人以及英国随着人们对钢结构耐火认识的深入和结构计算理论的发展 钢结构的耐火设计方法也得到不断发展主要有以下几种方法1 基于试验的构件耐火设计方法 按照现行建筑设计防火规范附录中给出的数据进行设计2 基于计算的构件耐火设计方法 在考虑了荷载的分布和大小 构件端部约束条件等因素以后应用经典解析方法或有限元等数值方法通过理论计算来确定构件的耐火极限目前这种方法已被英国澳大利亚德国欧洲共同体等国家的设计规范采用但这种方法的受火条件仍是以 ISO/FDIS 834-1:1997(E) 建筑构件耐火试验方法温度曲线为基础标准规定的时间-基于计算的结构耐火设计方法结构作为一个整体承受荷载法国已采用此方法英国也正在制定相关的标准如 BS 7974:2001消防安全工程原理在建筑设计中的应用和 DD ENV1991-2-2:1996 欧洲规范 3 钢结构设计4 考虑火灾随机性的结构耐火设计方法 这种方法以概率可靠度为指标 考虑了火灾及空气升温的随机性设计时先确定不同典型场所的火灾荷载及其分布 火灾场景再采用性能化方法进行计算目前我国对于结构构件的耐火极限确定与设计方法以第一种方法为主PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn其中钢结构构1.322件的耐火极限确定与设计采用第一和第二种方法均有现行建筑构件耐火设计方法中存在的主要问题任何建筑物在设计时均应根据其建筑高度 使用性质和规模 体量等考虑其耐火等级对其相应的建筑构件进行耐火设计 通过试验方式或采用标准规定的温升曲线来确定构件的耐火极限虽具有简单 实用 对不同构件的耐火性能有统一的判别基准等优点 但很难模拟实际构件的受热受力和端部约束情况从而导致现行规范对钢结构耐火极限的规定普遍过于保守但对某些特殊场所又不一能达到预期的耐火极限要求 而存在发生破坏的可能在一定程度上制约了钢结构建筑的发展1.4结构耐火设计的目标建筑火灾是一种损失较大的多发性灾害火灾后往往会对建筑结构造成一定的破坏和损伤结构耐火设计的目标可描述为1 减轻结构在火灾中的破坏 避免结构在火灾中局部倒塌影响内部人员安全疏散和造成外部灭火救援困难避免结构在火灾中很快变形整体垮塌造成人员伤亡和结构难以修复再用3 预防因构件破坏而加剧火灾中的热对流和热辐射 使火灾蔓延至其它防火分隔空间或相邻建筑物4 能为灾后修复提供条件 减少灾后结构的修复费用和难度 缩短钢结构功能的恢复期而建筑构件的消防设计目标就是 通过合理设计确定构件的耐火能力 力求结构安全与防火投入的高效统一通过限制火灾蔓延和保证建筑结构构件的完整来减轻建筑物的火灾损害钢结构构件耐火极限的计算方法根据真实火灾发展过程采用可靠度计算方法对结构整体失效概率进行分析计算是比较科学的这一方法要求在火灾下的设计承载力必须大于等于设计荷载效应 或者火灾过程中结构的最小安全指标必须大于等于所要求的安全指标但目前尚不成熟相对比较实用的是基于可靠度的结构耐火设计方法 即采用与 ISO834 标准火等效的真实火灾条件计算单个构件或简单约束的 2 个构件所需要的等效耐火时间 并按照标准耐火试验方法进行验证其判定标准为所设计的结构构件的耐火时间必须不小于根据建筑PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn但这种1/ 21kckswf口61物具体情况计算出的构件的最小耐火时间 计算构件的耐火时间时采用与 ISO834 等效的真实火灾条件验算时采用 ISO834 标准耐火试验条件下的承载力极限状态2.1等效耐火时间的计算方法等效受火时间法是定义标准耐火试验受火时间的一种手段 可以用于度量实际火灾条件下构件所应具备的耐火时间 这种方法比较好地解决了实际火灾与标准火灾之间的关系既可根据实际情况通过计算确定所需耐火时间又可采用标准试验方法进行验证方法不适用于结构体系特别是约束条件复杂的结构的耐火性能评估也不能用于构件的温度场和承载力分析计算1971 年 Margaret Law 提出了建筑构件所需耐火时间的计算公式 te=qfAf(AwAt)-0.54该公式计算结果与 ISO 834 标准火的试验结果基本吻合 但公式中未考虑自动喷水灭火系统的作用火灾后果火灾概率等因素对于建筑开口的影响也考虑不充分Thomas Pettersson 等人在此基础上进行了发展和修改 CIB 根据一系列实验并修改Magnusson Pettersson 和 Thor 计算出的温度 时间曲线后 导出了等效耐火时间 te 的计算公式 参见文献 5 该公式与 Pettersson 提出的计算公式十分接近 但未考虑着火室边界的热惯性和空间内火灾 荷载不完全燃 烧的影响如 考虑这些因素并令通风系数 wf1/2Af(Avh At)-1/2其中 Af 为着火室地板面积2mAv 为开口面积2mAt 为着火室总内表面积2mh 为开口高度m 后等效耐火时间计算公式可表示为te = 0.0672q f k s kc w f式中te等效耐火时间minqf空间内的火灾荷载密度MJ/m2考虑火灾荷载燃烧程度的燃烧系数与着火室边界材料的热惯性系数一般取 1.0通风系数通风情况只考虑所有外围护结构上的开口均为竖向开口无水平开且该空间长度与高度的比值保持不变公式与欧洲规范 中的计算公式te = qfkswf2 十分相似2但是以上计算公式均未说明是否或如何考虑发生火灾的概率或结构倒塌的后果 也未说明是否考虑火灾的不完全燃烧引起的偏差 另外公式2 不适用于 Af/Av4 的小房间或进深大的房间根据英国学者的试验结果欧洲规范考虑通风效应以后得到的公式并不总是与测试数PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn5后pdw4.22据相符 Margaret Law Pettersson 提出的公式对于进深较大的室内火 其计算结果较离散Harmathy 和 Mehaffey 等人提出的公式则与小面积室内火的实验数据最相符合12其中Pettersson 提出的公式尽管是经验公式 但与测试结果比较吻合 且在大多数实际情况下其计算结果较其他公式计算的结果保守因此本文将以 Margaret Law Pettersson 提出的等效时间公式为基础考虑发生火灾的概率结构倒塌的后果和灭火系统的影响以及火灾的不完全燃烧系数取值 1.0 并考虑某些不确定因素可得到构件等效耐火时间的计算式采用 1.25 倍的安全系数修正te = 0.084ks1/2qfwfpdw3式中火灾的发生概率系数火灾引起结构倒塌的后果系数自动喷水灭火系统的作用系数等效耐火时间计算式中各系数的选取建筑结构的对火反应取决于着火室内火灾的发展过程和热释放速率受着火室的通风条件室内火灾荷载密度火灾荷载密度4.2.1灭火设施qf着火室的几何特征和边界条件等因素的影响较大在欧洲 不同用途建筑特征火灾荷载密度已编入有关标准或设计指南中参见文献7 和 8 等文献 8 利用该报告中的数值指定了不同用途建筑的平均火灾荷载密度通常 设计师可以将占荷载数学统计分布 80%的平均火灾荷载密度用作特征火灾荷载我国尚缺乏相关的统计基础数据设计中可根据实际调查或参照表 1 给出的数值确定表 1不同建筑的火灾荷载密度MJ/m8火灾荷载密度建筑类型和用途平均值分位数80%分位数是指不超过 80%的类型和用途建筑或房间的值80%90%95%住宅医院医院储藏室医院病房办公室商店780230200031042060087035030004005709009204403700460670110097052044005107601300PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn47ki720.32p车间车间和仓储图书馆学校30011801500285470180022503605902240255041072026904504.2.2封闭空间的热物理特性ki着火室边界构件的热物理特性取决于边界构件材料的密度 比热容和热导率等参数可用该空间内的热惯性系数 ks 表达构件的热惯性可采用公式计算Ki=(c )1/24式中封闭空间内构件的热惯性-2 -1/2Jm s-1K对于混凝土-2 -1/2 -1ki=2190 Jm s K材料的密度c 材料的比热容材料的热导率kg/m3J/(kgK)W/(mK)欧洲规范 对 ks 推荐的数值范围是 0.04表 20.07 见表 2ks 推荐的数值取值热惯性量 ki2500720 b 25007204.2.3热惯性系数的取值通风系数wfks0.040.0550.07试验也证明 空间开口的形状与大小对通风控制型火灾的发展有很大影响 对于木材一般采用日本学者 Kawagoe 等人提出的通风因子 wf =At/(Avh1/2)描述9 其中 At 为着火室的总内表面积Av 为开口面积h 为开口高度由于通风效应除受开口大小与高度影响外还 受 空间 高 度 和 深 度 的 影响 根 据 国 外 的 有 关 试 验 将 通 风 因 子 At/(Avh1/2) 修 正 为1/2 1/2wf=Af/(Avh At)但该表达式只适用于防火分隔间面积不大于 100m且顶板无开口时的情况否则应进行修正根据 Schneider 的研究wf=(6/H) 0.62+90(0.4-Av/Af)4/1+12.5(1+10Av/Af-(Av/Af) )Ah/Af 其中 H 为着火室的空间高度 m Ah 为水平开口的面积m2当 Ah0 时则 wf=(6/H)0.30.62+90(0.4-Av/Af)44.2.4发生概率系数如果火灾发生轰燃或从着火室蔓延到整座建筑物的大部分全面燃烧 将对建筑构件产PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn108pd因此w生严重的伤害与破坏为保证建筑整体的结构安全有必要调整火灾风险与消防安全水平之间的平衡关系一般采用发生概率系数来修正发生概率系数用于量化不同用途建筑发生全面燃烧火灾的风险并反映全面燃烧火灾的后果风险可通过以发生频率为基础的概率和后果系数的乘积来确定根据国外有关火灾统计对于大多数用途的建筑发生概率系数的取值为 0.81.2 停车场的系数为 0.4不同用途的建筑发生火灾的的概率值及其概率系数的取值参见表 3表 3发生概率的系数使用形式办公室工业建筑(低火灾风险)集会建筑(高火灾风险)商店和商业建筑停车场发生火灾的总概率值概率系数6.210-30.84.410-20.81.210-11.21.00.84.2.5倒塌后果系数倒塌后果系数用于量化无法控制的火灾后果后果以及房屋倒塌对相邻建筑的潜在危害以反映不同疏散和灭火方式及其能力的具体应将后果系数随建筑深度和高度增加多少目前的研究还不够深入还需要开发一些更合适的以风险为基础的量化分析技术方法现将国外与规格式规范中的耐火性能要求列表数据相近果的系数见表 4且考虑高层建筑与低层建筑的风险系数之比为 3 给出部分建筑倒塌后表 4倒塌后果系数8建筑高度 m55 H2020 H3030后果系数0.51.11.62.2在具体取值时还应考虑构件在建筑结构体系中的受力情况及其作用 如与梁相比柱应该是更重要的结构构件柱和支撑柱的梁的耐火时间不应该随建筑物高度的降低而降低同时梁和柱的倒塌后果系数可取不同值4.2.6自动喷水灭火系统的作用系数根据实际使用情况 自动喷水灭火系统能有效地控制和扑救建筑物内大多数常见可燃物的初期火灾 可减小火灾对结构的影响 但现行有关建筑防火设计规范中只将这一系统的作用与建筑高度或防火分区大小的规定关联没有考虑其对结构构件耐火性能的积极作用PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn新w=0.8解dpks显然根据 G. Ramachandran 的研究11w 取值范围为 0.530.68 欧洲规范6 德国西兰的消防规范均取值11w=0.6但 G. Ramachandran 利用概率计算方法得出结果为0.79 本文建议采用调整系数来考虑水喷淋的作用 这相当于无自动喷水灭火系统的防火分区中结构倒塌的概率约为 0.184与目前我国现行规范的规定水平基本一致5计算实例一座二级耐火等级 建筑高度为 23m 的办公建筑 其内部未设置有自动喷水灭火系统层高为 3m 其中一开敞式办公室为 18m 长7.2m 宽2129.6 m外墙上的开口面积为 3 开口数2m 高1.8m 宽210.8m假设其围护构件材料的热惯性系数为 0.06 试用等效耐火时间计算法确定该空间内钢结构构件所需耐火时间因该建筑的建筑高度为 23m 故其倒塌后果系数为1.6 办公室的火灾发生概率系数取动喷水灭火系统0.8 空间内火灾荷载密度值为 qf1.0w2570MJ/m0.06 该建筑未设置自wf=(6/H)0.30.62+90(0.4-Av/Af)4=(6/3)0.30.62+90(0.4-10.8/129.6)4=1.88则 te0.084ks1/2qfwfpdw0.0840.061/25701.880.81.628.2(min)故根据建筑物特性计算出的结构构件所需的基本耐火时间为 28.2min 因此 该建筑内的楼板的最低耐火时间可为 30min 而钢柱和钢梁的耐火极限则应在此基础上进行调整根据我国现行建筑防火规范的规定 宜将楼板的耐火极限确定为 0.75h 梁的耐火极限调整至 1h 柱的耐火极限调整至 1.5h这一结果较国家现行建筑防火设计规范的规定值要低是显而易见的由此带来的经济效益也6结语PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn12345911本文总结和比较了国内外的有关研究成果和标准规定 提出了依据建筑具体特性确定钢结构构件耐火极限的方法 这种方法要在我国真正被采用 则需要建筑界共同努力 尽快解决诸如不同类型建筑物的火灾荷载密度确定 自动喷水灭火系统对火反应 火灾发生及其后果的概率统计等方面的问题本文所提出的钢结构构件耐火极限确定方法对于建筑物性能化消防设计具有一定参考价值 但也还存在一定局限性 如对进深较大或面积小于 100m2 的房间需要进一步通过试验进行修正等 同时 房间内火源的位置以及进深大的空间的边界绝热条件对 te 影响不大 对钢材达到最高温度的时间影响较大对此应引起注意通过实例试算可以看出 根据实际火灾条件所得出的耐火时间要求一般比现行规范的规定短参考文献毛 小 勇 , 韩林海 . 压 型 钢 板 钢混 凝 土 组 合 板 耐 火 研 究 的 现 状 和 特 点 J. 哈 尔 滨 建 筑 大 学 学报,2001,34(2):28李国强.现代钢结构抗火设计方法.2001 上海钢结构防火技术国际研讨会暨第一届全国钢结构防火技术研讨会论文集J.上海:同济大学,英国曼切斯特大学,2001.3-4.韩林海,毛小勇等.钢 混凝土组合楼板耐火性能及耐火设计关键技术研究D.天津:公安部天津消防科学研究所研究报告,2001.E. G. Butcher,A. C. Parnell. Design for Fire SafetyM. John Wiley &Sons Ltd, 1983.28.Georage Faller. Performance-based Design Approach to Fire Resistance Grading of BuildingJ. FireEngineers Journal,2000.3.6 Eurocode 3:Design of steel structuresM. BSI 1992.ISBN 0 580 21226 2.7 CIB W14 Workshop. A conceptual approach towards a probability based design guide on structural firesafetyJ. Fire safety journal, 1983, 6(1).8 British Standard Draft for Development. Fire Safety Engineering in Buildings, Part 1:Guide to the applicationof fire safety engineering principles. BS DD240: Part 1D. British Standards Institute. London: 1997.日本建设省.建筑物综合防火设计M.孙金香,高伟译.天津:天津科技翻译出版公司,1994.10 Euorcode 1:Basis of design and actions on structures-Part 2.2:Actions on structures exposed to fire. BSI1996M.ISBN 0 580 25803 3.G. Ramachandran. Probability-based Building Design for Fire Safety: Part 2J.Fire Technology, FourthQuarter,Vol.31(4),1995.12 Margaret Law. Proceedings of fifth international symposium on fire safety scienceJ. 37 March, 1997:369.PDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cnAbstractfireStudy on the performance-based design methods of fireendurance of steel structural elementsNi ZhaopengTianjin Fire Research InstituteTianjin300381The designers should consider fire as another type of load when performing structuraldesign, which is particularly important for steel frame structure design. Up to date, the fireendurance of building and counstruction elements was examined according to the currentcompulsory building fire regulations or codes, thus determine appropriate fire insulationsor other fire protection measures to meet the requirements of the regulations and codes. Onthe other hand, for building performance-based fire safety design, the analysis of fire loadand fire risk should firstly be performed for the structure of interest combining withtraditional loads. This paper summarized and compared related research results andstandards requirements around the world, and presents a method to determine fireendurance according to the specific characteristics of the building and demonstrated acaculation example.Key Wordssteel structural elementfire enduranceperformance-based fire safeydesignPDF 文件使用 FinePrint pdfFactory 试用版本创建 www.fineprint.com.cn