大空间钢结构防火设计

一、钢结构防火设计步骤

1、主要设计方法

（1）钢结构构件的耐火验算和防火设计，可采用耐火极限法、承载力法或临界温度法 。

【相关说明】此条根据建筑钢结构防火技术规范 GB 51249-2017第3.2.6条。耐火极限法是通过比较构件的实际耐火极限和设计耐火极限，来判定构件的耐火性能是否符合要求，并确定其防火保护。

承载力法或临界温度法采用直接验算构件在设计耐火极限时间内是否满足耐火承载力极限状态要求。火灾下随着构件温度的升高，材料强度下降，构件承载力也将下降；当构件承载力降至最不利组合效应时，构件达到耐火承载力极限状态。构件从受火到达到耐火承载力极限状态的时间即为构件的耐火极限；构件达到其耐火承载力极限状态时的温度即为构件的临界温度。

（2）钢结构的防火设计应根据结构的重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火验算或基于构件耐火验算的防火设计方法，并应符合下列规定：
    1 跨度不小于60m的大跨度钢结构，宜采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法；
    2 预应力钢结构和跨度不小于120m的大跨度建筑中的钢结构，应采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。

2、主要计算流程

（1）确定耐火等级、构件耐火时限、构件防火涂料类型。

【相关说明】此条根据钢防火第3.1.1 条钢结构构件的设计耐火极限应根据建筑的耐火等级，按现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016的规定确定。柱间支撑的设计耐火极限应与柱相同，楼盖支撑的设计耐火极限应与梁相同，屋盖支撑和系杆的设计耐火极限应与屋顶承重构件相同。

    （1） 第一类檩条，檩条仅对屋面板起支承作用。此类檩条破坏，仅影响局部屋面板，对屋盖结构整体受力性能影响很小，即使在火灾中出现破坏，也不会造成结构整体失效。因此，不应视为屋盖主要结构体系的一个组成部分。对于这类檩条，其耐火极限可不作要求。
    （2） 第二类檩条，檩条除支承屋面板外，还兼作纵向系杆，对主结构（如屋架）起到侧向支撑作用；或者作为横向水平支撑开间的腹杆。此类檩条破坏可能导致主体结构失去整体稳定性，造成整体倾覆。因此，此类檩条应视为屋盖主要结构体系的一个组成部分，其设计耐火极限应按表1对“屋盖支撑、系杆”的要求取值。

（2）计算截面防火形状参数Fi/v

【相关说明】此条根据 钢防火第 6.2.2条 说明及条文说明

    F _i ——有防火保护钢构件单位长度的受火表面积（m ² ）；对于外边缘型防火保护，取单位长度钢构件的防火保护材料内表面积；对于非外边缘型防火保护，取沿单位长度钢构件所测得的可能的矩形包装的最小内表面积；

      V——单位长度钢构件的体积（（m ³ ）。

有防火保护钢构件的截面形状系数Fi/V，不仅与钢构件的截面特性有关，还与防火保护层做法有关。工程中常用的防火保护层做法可分为两种：（1）外边缘型保护，即防火保护层全部沿着钢构件的外表面进行保护；（2）非外边缘型保护，即全部或部分防火保护层不沿着钢构件的外表面进行保护。表11给出了常见的有防火保护钢构件的截面形状系数计算示例。

（3）确定构件所处环境的室内火灾升温曲线，对构件进行有防护构件的升温计算（或无防护构件升温计算，用于临界温度法）

【相关说明】 ①火灾曲线 ： 此条根据钢防火第6.1.1条确定，注意区分一般室内火灾、高大空间火灾这两种典型的建筑火灾着火空间的环境温度升温曲线。另外，对于可燃物以烃类材料为主的场所，如石油化工建筑及生产、存放烃类材料、产品的厂房等，应采用碳氢（HC）升温曲线，对于可燃物主要为一般可燃物，如木材、纸张、棉花、布匹、衣物等，可混有少量塑料或合成材料等采用以纤维类火灾为主的升温曲线。

②升温计算： 此条根据钢防火第6.2.1-2条确定。 笔者根据这两条公式编制了相关迭代求解表格，经验证与yjk等软件精确吻合 。

（4）升温引起的截面刚度折减（实际为弹模折减）、强度折减

【相关说明】此条根据钢防火第5.1.2-5.1.3 条，强度、弹模折减曲线依次如下。

（5）进行内力计算，并进行内力组合

【相关说明】此条根据钢防火第3.2.2条考虑火灾时结构上可能同时出现的荷载（作用），且应按下列组合值中的最不利值确定。

      γ _0T ——结构重要性系数；对于耐火等级为一级的建筑，γ _0T ＝1.1；对于其他建筑，γ _0T ＝1.0；

    φ _f ——楼面或屋面活荷载的频遇值系数  ；   φ _q ——楼面或屋面活荷载的准永久值系数

（6）对防火构件进行承载力、稳定、变形验算或根据构件应力比计算临界温度（ 用于临界温度法 ）

【相关说明】此条根据钢防火第7.1-7.2条进行强度、稳定等验算。需要注意的临界温度法，关于应力比范围规范仅给出了0.3~0.9范围内的情况，对于超出此范围的无明确说法，实际设计时可能存在无法正常设计的情况。

二、 大空间钢结构的计算

1、 大空间的火灾曲线

大空间的火灾曲线来源目前建筑钢结构防火技术规范（CECS200-2006）第6.2.1给出相关曲线，如果有条件也可以采用火灾模拟分析得出具体的空间钢结构时空火灾分布。

按 CECS 钢防火第6.2.1条定义了高大空间是指高度不小于6m、独立空间地（楼）面面积不小于500m2的建筑空间。

  式中 T _(x,z,t) ——对应于t时刻，与火源中心水平距离为x(m)、与地面垂直距离为z(m)处的空气温度(℃)；
           T _g (0)——火灾发生前高大空间内平均空气温度，取20℃；
              T _z ——火源中心距地面垂直距离为z(m)处的最高空气升温(℃)，按附录D确定；
               β——根据火源功率类型和火灾增长类型，按附录D确定；
               b——火源形状中心至火源最外边缘的距离(m)；
               η——与火源中心水平距离为x(m)的温度衰减系数（无量纲），按附录D确定，当x＜b时，η＝1；
               μ——系数，按附录D确定。

笔者按照 CECS钢防火规范 以6000㎡，离地10m网架，以中功率中速火灾为例，查附录D，相关参数取值：

当x=0时（火源正上方），得出大空间火灾随时间分布曲线T，在1.5h位置T=120℃，而标准火灾曲线在1.5h位置T‘=1351℃，相对于标准火灾曲线相差较大， 在某些无自定义火灾曲线功能时，采用标准曲线进行大空间钢结构温度分析得出的结果肯定是错误的 。实际操作时可以划定区域（x位置不同）得出相关曲线分片施加。

也可以假定某一时刻，得出火灾随距离火源位置x的分布曲线，基本上20m以内急剧变化，划分区域时应注意考虑，远离20m以外位置影响温度变化较小。

2、大空间火灾工况

CECS钢防火规范中大空间防火曲线与火源的位置强相关。因此对于实际大空间结构应考虑不同火源位置、火源释热功率、火源燃烧速率和火源面积设置常规火灾工况，再通过火源参数变化分析不同火灾工况下结构的抗火 性能。

【相关说明】火源功率、增长速度根据CECS钢防火6.2.3-6.2.4条确定。

3、大空间钢结构的防火验算

确定了火灾分布曲线、火灾工况即可在相关软件里面进行相关防火验算。目前midas软件已经内置了自定义火灾曲线功能，可以方便的进行相关钢结构防火设计。其他计算软件如3d3s、PKPM、YJK等均采用的是内置的标准型室内火灾曲线，采用这些软件进行钢结构防火分析时应注意，切忌一顿操作猛如虎，实际不知啥原理。