某报告厅屋顶钢桁架防火设计

1??工程概况

该报告厅始建于1983年，总占地面积586?m ² ，其中观众厅和舞台占地452?m ² （属同一独立空间），其余附属房间占地134?m ² 。报告厅主体结构形式为钢筋混凝土柱与钢屋架组合的单层框排架结构体系，局部附属房间为2层。报告厅原屋面板采用轻质混凝土屋面板，屋顶支撑结构为4榀钢桁架，钢桁架两端分别支撑于混凝土柱顶，与柱顶通过螺栓铰接连接。钢桁架跨度均为21.56?m，横向间距3.9?m。

由于使用年限较长，轻质混凝土屋面板出现板底混凝土局部脱落、露筋严重且钢筋锈蚀等问题。经第三方专业检测机构对屋顶结构进行鉴定以及后续施工图设计，建议将混凝土屋面板及钢桁架整体拆除后重新设计。新屋面建筑作法见12BJ?1–1《工程作法》E17/平屋ZZ–3，新屋面板作法见12ZG?401《预应力混凝土空心板》YKB3963。

2??钢屋架设计参数

原钢桁架拆除后，新更换的钢桁架各杆件均采用T字形双角钢组合截面，填板厚度为10?mm，间距为40 ?i （ i 为单肢截面回转半径）。水平支撑SC、竖向支撑CC采用 L 75×5角钢，水平系杆LG采用2根 L 75×5角钢，钢材质量等级为Q235B。荷载取值：屋顶的永久荷载为3.69?kN/m ² ，下弦悬挂荷载为0.1?kN/m ² ，屋顶可变荷载为0.5?kN/m ² 。项目所在地气象条件如下：基本风压（50年一遇） ω ₀ =0.45?kN/m ² ，地面粗糙度类别为B类，基本雪压 S ₀ =0.40?kN/m ² 。抗震设防烈度为8度（0.20? g ），建筑结构安全等级为二级。

3??钢屋架耐火验算及防火设计

3.1??模型建立及防火设计流程

本工程在钢屋架已满足正常使用和承载力极限状态的基础上，采用有限元软件midas Gen对结构进行耐火验算和防火性能设计。上弦及下弦采用梁单元模拟，腹杆采用桁架单元模拟。支座一端为铰接，另一端计算水平支座刚度（沿桁架纵向）为837?N/mm。

3.2??建筑耐火等级与构件耐火极限

根据设计要求，屋顶承重构件的建筑耐火等级为二级，根据GB?50016—2014《建筑设计防火规范》（2018版）表3.2.1规定，耐火等级为二级时，屋顶承重构件的耐火极限应达到1h。

3.3??高温下钢材材料特性

高温下，钢材的力学性能会发生一系列变化，主要表现为随着温度的升高，其强度和弹性模型逐渐下降。温度高于400℃后，钢材的强度与弹性模量开始急剧下降，当温度达到650℃时，钢材已丧失大部分 强度。高温下钢材的物理参数按GB?51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》（以下称《防火规范》）表5.1.1取值，强度设计值和弹性模量分别按防火规范条文5.1.2、5.1.3计算。

由于本工程观众厅和舞台占地面积为452?m ² ，不满足CECS?200—2006《建筑钢结构防火技术规程》6.2.1条关于高大空间中独立空间地面面积的定义，故采用防火规范6.1.1条以燃烧物类型为纤维物质的标准火灾升温曲线。标准火灾升温曲线、强度随温度变化曲线、弹模随温度变化曲线如图1~图3所示。

图1??标准火灾升温曲线

图2??强度随温度变化曲线

图3??弹性模量随温度变化曲线

3.4??荷载作用与受火形式

钢结构耐火验算可采用耐火极限法、承载力法和临界温度法。耐火极限法需构件在设计荷载作用下通过耐火试验确定耐火极限，试验较烦琐且极难实现 时，一般工程常采用承载力法和临界温度法进行验算。防火设计时应考虑永久荷载（DL）、可变荷载（LL）、风荷载（W _左 、W _右 ）与温度荷载（T）的共同作用，并按照按防火规范3.2.2条进行荷载效应组合，也可通过软件程序自动生成荷载组合。本工程荷载组合工况见表1。

表1??荷载组合工况

由于钢屋架上弦杆直接与混凝土板接触，因此上弦杆应按三面受火计算截面形状系数，即 F / V =2（ H + B ）/ A ； 腹杆及下弦杆按照四面受火计算截面形状系数，即 F / V =（2 H +4 B ）/ A ，其中 A 为截面面积。各杆件的截面形状系数见表2。

表2??各杆件截面形状系数

3.5??钢构件耐火性能验算与防火保护设计

火灾下无防火保护钢构件的温升按防火规范6.2.1计算，其中综合辐射率 ε _r 取0.7。从验算结果可知，无防火保护的钢桁架不满足耐火极限，需进行防火设计。

火灾下钢结构的防火保护措施主要有喷涂防火涂料、包覆防火板、包覆柔性毡状隔热材料或外包混凝土、金属网抹砂浆或砌筑砌体。其中，膨胀型防火涂 料因其涂层薄、施工方便、装饰美观等优点，广泛应用于屋面承重结构，其耐火极限最高可达到2?h，满足本工程耐火性能要求。由于膨胀型防火涂料涂层厚度和膨胀层厚度、热传导系数 λ _s 之间呈非线性关系。因此，膨胀型防火涂料宜采用对应于涂层厚度的等效热阻 R _i 表征。

采用膨胀型防火涂料的钢桁架各构件温升可防火规范6.2.3条近似计算。防火设计过程中，需将等效热阻Ri由小至大不断试算，根据经验，一般可从 R _i = 0.1?m ² ℃/W开始，直至验算结果满足。当各截面等效热阻相同时，截面形状系数越大的构件其耐火性越差，实际工程中应在综合考虑后选择合适的截面形式。设计文件中的钢结构防火设计要求见表3。

表3??钢结构防火设计要求

4??结束语

随着新改建项目的不断增加，钢结构的防火设计是必须加以重视并着重解决的关键问题。以现有报告厅屋顶改造工程为例，阐述钢屋架耐火验算与防火设计的流程，针对验算结果提出相应防火保护措施，可为同类型工程提供参考。