5.2.1 在一般情况下,可仅对结构的各种构件进行抗火计算,使其满足构件抗火设计的要求。
5.2.2 当进行结构某一构件的抗火验算时,可仅考虑该构件的受火升温。
5.2.3 有条件时,可对结构整体进行抗火计算,使其满足结构抗火设计的要求。此时,应进行各构件的抗火验算。
5.2.4 进行结构整体抗火验算时,应考虑可能的最不利火灾状况。
5.2.5 对于跨度大于80m 或高度大于100m 的建筑结构和特别重要的建筑结构,宜对结构整体进行抗火验算,按最不利的情况进行抗火设计。
5.2.6 对第5.2.5 条规定以外的结构,当构件的约束较大时,如在荷载效应组合中不考虑温度作用,则其防火保护层设计厚度应按计算厚度增加30%。
5.2.7 连接节点的防火保护层厚度不得小于被连接构件防火保护层厚度的较大值。
条文说明
5.2 一般规定
传统的抗火设计是基于构件标准耐火试验进行的。实际上,将构件从结构中孤立出来,施加一定的荷载,然后按一定的升温曲线加温,并测定构件耐火时间的方法,存在很多问题。首先,构件在结构中的受力很难通过试验模拟,实际构件受力各不相同,试验难以概全,而受力的大小对构件耐火时间的影响较大,其次,构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟,而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素;再次,构件受火在结构中会产生温度应力,而这一影响在构件试验中也难以准确反映.正是注意到试验的上述缺陷,结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法转为基于计算的现代方法。
5.2.1、5.2.2 建筑中火灾发生的位置有很大的随机性,如考虑各种可能的火灾位置进行结构抗火设计,计算工作量会较大。研究表明,进行结构某一构件抗火验算时,可仅考虑该构件受火升温,这样的计算结果一般是偏于保守的。
5.2.3~5.2.5 研究结果和对火灾现场的调查表明,在火灾下整体结构中的构件会产生复杂的相互作用,荷载的分配方式和传递路径也会有所改变,这将大大影响整体结构的抗火性能,所以采用常温下分析得到的构件内力进行抗火验算就不甚合理。因此,本规范规定,对于一些特别重要的或比较特殊的以及有条件的结构要进行整体抗火验算。
5.2.6 当构件受到相邻构件的约束较大时,在火灾时随着温度的升高,构件内部将产生很大的温度内黝力,从而使构件的耐火时间缩短。由于计算结构中构件的温度内力有时比较复杂,故在计算中若不考虑温度内力,可按本条的规定定性地考虑温度内力的影响。
6.1.1 一般工业与民用建筑的室内火灾空气温度可按下式计算:
式中 Tg(t)——对应于t时的室内平均空气温度(℃);
Tg(0)——火灾发生前的室内平均空气温度,取20℃;
t——升温时间(min)。
6.1.2 当能准确确定建筑室内有关参数时,可按附录B 方法计算室内火灾的空气温度。也可按其他轰燃后的火灾模型计算室内火灾的空气温度。
6.1.3 实际的室内火灾升温在任意时刻对结构的影响,可等效为标准火灾升温在等效曝火时刻对结构的影响。本规范以钢构件温度相等为等效原则。当采用附录B 方法计算室内火灾的空气温度时,等效曝火时间te可按下式计算:
式中 te——等效爆火时间(min);
η——开口因子(m1/2);
qT——设计火灾荷载密度(MJ/m2),按附录C计算;
AW——按门窗尺寸计算的房间面积(㎡);
h——房间门窗口高度(m);
AT——包括门窗在内的房间六壁面积之和(㎡)。
条文说明
6.1 室内火灾空气升温
6.1.1 本规范采用的标准升温曲线为国家标准《 建筑构件耐火试验方法》 (GB/T 9978-1999 )规定的升温曲线,也是国际标准ISO 834 推荐的升温曲线。
6.1.2 标准升温曲线并不一定与实际火灾的升温曲线相同。一次火灾的全过程通常分为初起阶段、全面发展阶段和衰减熄灭阶段。一般来说,火灾的初起阶段不会对建筑结构造成实质性破坏。火灾经过初起阶段一定时间后,房间顶棚下充满烟气,在一定条件下会导致室内绝大部分可燃物起火燃烧,这种现象称为轰燃。轰燃持续时间很短,随后火灾即进人全面发展阶段。轰燃后的火灾对建筑结构会造成不同程度的损伤。研究表明,轰燃后室内温度时间曲线与可燃物种类、数量、分布、房间通风条件和壁面材料的热物理性能等多个因素有关.以轰燃后房间的平均温度-时间关系作为构件的升温曲线进行抗火设计,可以更准确地反映火灾对结构的影响。
附录B 依据轰燃后房间的热平衡方程计算房间的平均温度。选取影响火灾温度的最重要的两个参数火灾荷载与开口因子作为变量,壁面材料的热工参数取用加气混凝土与普通混凝土的平均值。对一般建筑物来说,这是偏于安全的。理论分析表明,轰燃30min 以后,壁面材料的热工参数对房间的热平衡影响不大。
附录B 的适用条件为:(1)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;(2)火灾房间可燃物大致均匀分布;(3)火焰高度可达到房间顶棚。
6.1.3 不同的开口因子和火灾荷载,具有不同的温度一时间曲线。如果直接以附录A 计算曲线作为升温条件计算构件保护层厚度,由于失火房间开口因子和火灾荷载的多变性,只能采用计算机数值解法而不能得到统一的计算公式。使用等效曝火时间te可把千变万化的火灾时保护层厚度的计算统一到标准升温条件下进行计算,同时也考虑了火灾的实际情况。
当房间内可燃物耗尽时,温度必然下降,所以温度一时间曲线上有一个温度峰值。置于火灾房间内受到保护材料保护的钢构件也必然有一个温度峰值。令这个构件的温度峰值等于构件的临界温度几,解方程(6.3.1 )即可得对应的综合传热系数B 。按这个B 值设计构件保护层厚度;火灾时构件温度最高只能达到给定的临界温度几。如果对两个同样的构件,同样的保护材料及厚度(B 值相等),第一个构件用实际温度曲线升温,第二个构件用标准升温曲线升温,令第二个构件的温度等于第一个构件的最高温度,在标准升温条件下必然有一个特定的升温持续时刻与之对应,该特定持续时间即为等效曝火时间te计算过程如图1 所示。
图1 等效爆火时间计算示意
式(6.1.3-1)是按上述方法计算结果回归而得,平均相对误差为1.8% .
式(6.1.3-2)中系数0.53 的取值:在式6.1.3 中,Aw 是指火灾轰燃后实际通风的面积,h 指实际通风面积的高度。假定火灾轰燃后玻璃窗破碎,实际通风面积为窗洞面积的0.6 倍,按正方形考虑,其通风面积的高度为0.78 倍的窗洞高度,
详细内容见屈立军的论文“The fire resistancer requirements derived frome engineering calculation for porformanc e-based fire design of stecl structures ”( Progress in safety science and technology , VoI 1V , 2004 : p1235 )。
附录C 参考了瑞典、加拿大、日本等国规范和欧洲规范(EN 1991-1-2 : 2002 )的火灾荷载取值。