1、第9章 钢结构耐火设计l9.1 裸露钢结构的耐火性能l9.2 钢结构临界温度l9.3 钢结构耐火保护方法l9.4 钢结构耐火保护厚度计算Date1第9章 钢结构耐火设计钢结构屋盖火灾倒塌案例建筑名称构型 火灾日期破坏情况重天原化工厂屋架1960.2.1820min倒塌上海文化广屋架1969.12倒塌天津体育屋架1973.5.519min倒塌春卷烟厂木屋架1981.4.5倒塌北京友木屋架1983.1220min倒塌唐山市棉厂梁1986.2.820min倒塌北京高气瓶厂屋架1986.4.8倒塌江油厂俱部屋架1987.4.2120min倒塌Date2第9章 钢结构耐火设计9.1 裸露钢结构的耐火性能
2、l钢材的高温力学性能l钢材截面温度分布l构件的截面系数l构件的破坏过程Date3第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能应力应变曲线Date4第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能应力应变曲线Date5第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能应力应变曲线有效屈服强度20即室温时屈服强度为钢材温度Date6第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能钢材截面温度分布l严格说来，钢材表面受到火烧时，其表面温度高，内部温度低；l钢材的导热系数约为58W/m，是混凝土的38倍。由傅里叶定律知，热流强度与温度梯度成正比。表明，当构件表面受热时（假设为常数），由于导热系数较大，热量很快可传到其内部，因而温度
3、梯度很小。加之构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。所以，钢结构耐火计算，不考虑温度梯度影响，认为构件内部温度均匀分布。Date7第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能构件截面系数l截面系数：构件单位长度内受火面积与其体积之比来表示构件的吸热能力。截面系数越大，构件越不耐火。Date8第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能构件截面系数工Date9第9章 钢结构耐火设计钢材的高温力学性能构件的破坏过程Date10第9章 钢结构耐火设计9.2 钢结构临界温度l临界温度：指当构件在火灾有效荷载作用下，遭受火烧达到极限状态时的温度。l临界温度与构件承受的有效荷载的大小、形式、作用位置和构
4、件的截面形式、受力状态、约束条件等有关。l有效荷载：指构件在火灾时实际承受的重力荷载。Date11第9章 钢结构耐火设计钢结构临界温度构件承受有效荷载 而遭受火烧，当材料强度 下降到 作用下的 时，构件截面破坏。此时构件的温度即临界温度 。定义：令：则：Date12第9章 钢结构耐火设计钢结构临界温度Date13第9章 钢结构耐火设计钢结构临界温度由于钢材温度大于550后强度很小，所以当求出的临界温度大于550时取 。当为一端固定，一端铰支梁时当为两端固定梁或连续梁内跨时其余所有构件Date14第9章 钢结构耐火设计9.3 钢结构耐火保护方法l截流法喷涂法包封法屏蔽法水喷淋法l疏导法Date1
5、5第9章 钢结构耐火设计截流法喷涂l截流法：用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层。l喷涂的涂料厚度必需达到设计值，节点部位宜适当加厚。l当遇有特殊情况时，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网，以确保涂层牢固。Date16第9章 钢结构耐火设计截流法包封l包封法：用耐火材料把构件包裹起来。l包封材料有防火板材，混凝土或砖，钢丝网抹耐火砂浆等。l当采用石膏板、蛭石板、硅酸钙板、珍珠岩板等硬质防火板材包封时，板材可用粘结剂或钢件固定。构件的粘贴面应作除锈去污处理，非粘贴面应涂刷防锈漆。当包封层数大于等于两层时，各层板应分别固定，板缝应相互错开，其距离不宜小于400mm。l当用岩棉、矿棉等软
6、质板材包封时，应用薄金属板或其它不燃性板材包裹起来。Date17第9章 钢结构耐火设计截流法屏蔽l把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内。主要适于屋盖系统的保护。吊顶的接缝、孔洞处应严密、防止窜火。Date18第9章 钢结构耐火设计截流法水喷淋l在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动(或手动)开始喷水，构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。Date19第9章 钢结构耐火设计截流法Date20第9章 钢结构耐火设计截流法Date21第9章 钢结构耐火设计疏导法l在空心封闭截面中（主要为柱）充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构
7、件温度便可维持在100左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，像烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。Date22第9章 钢结构耐火设计Date23第9章 钢结构耐火设计9.4 钢结构耐火保护厚度计算l保护材料的性质及分类l导热微分方程l轻型干保护材料厚度计算l重型或含水材料保护层厚度计算l构件的截面系数l计算示例Date24第9章 钢结构耐火设计保护材料的热物理性质l防火保护材料的热物理参数应通过试验确定。这些参数一般都随温度变化而变化，在选定温度范围内，可取其平均值来计
8、算。l在火灾条件下，常用保护材料的热物理参数的近似值列于表9-1。当无实测条件时，可采用表中数值。Date25第9章 钢结构耐火设计表9-1 各种防火保护材料在明火或高温条件下的热物理性质 Date26第9章 钢结构耐火设计保护材料的平衡含水率Date27第9章 钢结构耐火设计保护材料的分类满足上式时，为轻型材料，不满足上式时，为重型材料，其吸热能力较强，计算构件温度时应考虑保护层的吸热。Date28第9章 钢结构耐火设计保护材料的分类满足上式时，为干保护材料，不满足上式时，为含水保护材料，计算构件保护层厚度时应考虑含水量的影响。Date29第9章 钢结构耐火设计导热微分方程l基本假设保护材料
9、外表面的温度等于试验炉内平均温度。由外部传输的热量全部消耗于提高构件和保护材料的温度，不计其它热损失。Date30第9章 钢结构耐火设计导热微分方程Date31第9章 钢结构耐火设计导热微分方程Date32第9章 钢结构耐火设计导热微分方程Date33第9章 钢结构耐火设计导热微分方程重型材料：轻型材料：Date34第9章 钢结构耐火设计轻型干保护材料层厚度计算Date35第9章 钢结构耐火设计轻型干保护材料层厚度计算令截面材料综合系数给定耐火时间和构件的临界温度，通过计算机迭代可解出截面材料综合系数，选定保护材料后，根据构件的截面系数，即可求出所需保护层厚度。Date36第9章 钢结构耐火设
10、计轻型干保护材料层厚度计算截面材料综合系数为了实际计算方便，将截面材料系数与临界温度和耐火时间的关系列入表9-3中，以备实际设计时查用。选定保护材料后，根据构件的截面系数，即可求出所需保护层厚度。Date37第9章 钢结构耐火设计重型材料保护层厚度计算当选用重型保护材料时，其吸热能力较大，不能忽略。可先按轻型干保护材料求出初定厚度 ，再按下式求出： 为所求 应修正Date38第9章 钢结构耐火设计重型材料保护层厚度计算令：解得：Date39第9章 钢结构耐火设计含水材料保护层厚度计算当选用含水材料作保护层时，温度上升到100，水分蒸发，吸收的热量大部分用于蒸发水分，而材料温度基本不升高。水分蒸
11、发完后，材料温度重新上升。此后，升温曲线与干材料相似，此处滞后时间 。滞后时间即水分蒸发所占时间。根据国外试验研究结果，可按下式估算：Date40第9章 钢结构耐火设计含水材料保护层厚度计算含水材料厚度计算步骤如下：(1)按轻型干材确定初定厚度 ；(2)当 时，为干材，即 为所求；(3)当 时，对 进行修正；(4)求滞后时间 ；(5)对原定耐火时间进行修正，用 代替 重查表；(6)以修正后 代入公式求厚度 。Date41第9章 钢结构耐火设计重型含水材料保护层厚度计算重型含水材料厚度计算步骤如下：(1)按轻型干材求初定厚度 ；(2)对 进行吸热修正，求出厚度 ；(3)对 进行含水修正，求最后使
12、用厚度。Date42第9章 钢结构耐火设计构件截面系数当所用保护材料构造方式不同时，即有时采用周边包封，有时用周边喷涂；有时构件三面受火（如梁、柱一边靠墙），有时构件四面受火。这时，即使同一构件截面系数F/V也不同。表9-4给出的常用截面的F/V，设计时可直接查用。Date43第9章 钢结构耐火设计计算示例一例：已知简支梁临界温度451，采用周边喷涂防火涂料的保护方法， W/m，求耐火时间为90min时保护层厚度。型钢尺寸如下：解题步骤：(1)防火涂料可按轻型干保护材料处理；(2)查表求出截面系数；(3)查表得出截面材料综合系数；(4)计算施工厚度。Date44第9章 钢结构耐火设计计算示例一Date45第9章 钢结构耐火设计计算示例二例：同上条件，改为石膏板作箱型包封，求保护层厚度。解题步骤：(1)查表求出截面系数；(2)查表得出截面材料综合系数；(3)初定厚度；(4)判断是否为重型材料，进行吸热修正，计算修正厚度；(5)计算滞后时间，并根据滞后时间重新查表得出截面材料综合系数； (6)计算施工厚度。Date46第9章 钢结构耐火设计计算示例二查表得：Date47第9章 钢结构耐火设计计算示例二Date48第9章 钢结构耐火设计计算示例二Date49第9章 钢结构耐火设计
