大跨度索支承实腹式门式刚架钢结构应用研究
6 W9 h$ O* ^# ~7 G6 _
0 R( h' E4 P7 K7 Y6 O4 N王元清 石小敏 石永久 张勇 陈宏
" f: d$ I7 h# V(清华大学土木系 100084) 6 N9 Y* m$ `+ Q! ]$ n
, `5 U' M, C& ^+ ]: v+ ? 提要: 本文针对普通大跨度实腹式门式刚架随着跨度的增大经济性指标下降的问题,提出了索支承实腹式门式刚架结构体系。索支承实腹式门式刚架只须通过伸长撑竿施加预应力,比较于其他需要张拉钢索的预应力钢结构它是一种节点构造简单、施工简便,预应力效果明显的结构。本文详细分析了这种结构的受力性能,施工工艺和主要结点构造。通过对某72m跨度的粮食仓库采用索支承门式刚架的实例计算,得出了一些有实用意义的结论和建议,为工程设计和施工提供了参考。
/ X5 z$ {2 }+ F2 } 关键词:大跨度 索支承实腹式门式刚架
9 Y5 C% `7 ~; l' h1 N4 f7 O* F( N一、概述 2 F/ t) u$ C1 z" K3 y( Z/ w* u5 k
我国有多例跨度60~72米的实腹式轻钢门式刚架工程,包括湛江港从美国引进的60米跨的保税仓库、北京西郊机场从美国引进的一座跨度72米的飞机库,和国内自行设计大连72米门式刚架粮仓储备库,跨度再大的就非常少见。这是因为随着跨度的增大,刚架梁的挠度和梁柱节点弯矩显著增加,对刚架起控制作用的往往是刚架梁的跨中挠度,这时候采用较高强度的钢材不能解决问题,须要加大刚架截面。此时,增大截面是为了控制变形,没有充分利用钢材的强度。 9 v( ^- t0 j8 ^8 _$ E* @
因此普通大跨度实腹式门式刚架用钢量大幅度增加,经济性指标大大下降,削弱了轻钢结构自重轻这一优势。国内自行设计的大连72米门式刚架粮仓储备库,最大截面已达到1800Ⅹ300Ⅹ12Ⅹ14,用钢量(仅刚架部分,不包括围护结构)达到49.7kg/m2[9]。
! t! a/ q$ g% |- E2 j 针对上述问题,目前有几种解决方法,例如采用预应力格构式门式刚架、在普通实腹式门式刚架柱顶布置直线式预应力钢索。但是预应力格构式刚架对部分杆件施加预应力,预应力钢索的布置比较复杂,节点构造繁琐给施工带来不便。门式刚架柱顶布置直线式钢索须待刚架整体安装完毕后张拉钢索施加预应力,无法避免高空作业。而且刚架中直线式预应力索的效率往往不能充分发挥作用,而且预应力对梁的平面内稳定非常不利。
7 w' H4 p' K3 E" K8 w, @ 为了增加斜梁刚度,并降低结构用钢量,本文提出了索支承实腹式门式刚架这种新型预应力钢结构形式。
; ?8 {) l# {+ C7 S二、索支承实腹式门式刚架的结构形式和施工工艺 7 {9 c' ^& ?7 Q2 o7 u
索支承门式刚架梁下的拉索通过三根竖撑杆与刚架梁发生作用,此时的拉索不仅仅是给结构施加预应力的手段,而且成为刚架横梁的下弦杆,较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。钢拉索两端锚固在刚架柱顶,梁跨中屋脊位置设置一道撑竿,视刚架跨度和所需预应力大小可在半跨内再各设一道,其中拉索采用高强度钢绞线,撑竿采用双层的套丝钢套管,通过旋动钢套管的外管使撑竿伸长(图1和图2)。 ' i$ \/ d2 F H2 E$ e& V
5 Y/ J" e7 _) i4 [) J
索支承实腹式门式刚架的特点在于施加预应力的方法有两种:可以直接张拉钢索施加预应力,也可以通过伸长撑竿施加预应力。后一种预应力施加方法是靠旋长撑杆来实现的,给索支承刚架施加预应力就是通过人为伸长撑竿来张紧和拉长钢索使钢索中产生预应力的过程。拉索预先锚固在柱顶的连接牛腿中(图5),旋长撑竿必然撑紧拉索,也就给拉索施加了预拉力。由于撑竿所受的力是拉索预应力的竖向分力,而拉索于竖直方向夹角接近90度,所以此分力相比于拉索预应力非常小。而旋转撑竿本身又是利用杠杆原理,这样施加预应力是便不需要张拉设备,采用电动扳手甚至于人工便可完成。
8 M6 ^& d% I. r2 [9 u9 U 由于预应力的大小随钢索的伸长量变化,而钢索的伸长量可以通过撑竿的伸长来控制,因此预应力水平易于控制,同时改变撑竿的数目和位置就可以控制加在刚架梁上的向上的顶力。 3 C0 g2 H4 I a. A
索支承刚架的梁柱节点构造与普通刚架相同,但是撑竿和钢索、撑竿和梁以及钢索和刚架的连接节点需要作特殊处理。两端带有反向螺纹的钢管撑杆一端通过焊接与钢梁相连(图4),另一端焊接在槽形夹片上通过螺栓与拉索相连(图3)。钢索通过多孔夹片锚具锚固在柱牛腿上(图5)。撑竿和梁下翼缘以及槽形夹片的焊接都应采用工厂焊接以保证质量。
! L3 m* m$ u( K
5 b2 o* g7 E- j4 s- ?( M
' _& W0 {- I% E三、索支承大跨度门式刚架的力学性能
K5 Q& `# m' H0 _% e 与一般预应力结构一样预应力调整了刚架梁、柱受力状态,降低了外荷载作用下的内力峰值和刚架梁的跨中挠度,从而使预应力刚架比普通刚架的内力和变形有大幅度下降,提高了刚架的承载力、增大了结构刚度。从刚架梁柱节点和梁跨中弯矩在受力全过程三个阶段的变化(图7)不难看出索支承刚架三个阶段的受力就是加载——卸载——再加载的过程。 0 z3 k& q* Z) E4 x% ^, s* k
) O# w f; D- X/ e" V6 i6 v, a3 H2 H/ ]$ f
索支撑门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度、降低柱顶弯矩及柱脚反力的优点外,还具有一些自身的特点:
3 L7 o4 O. G( b) ? (1) 较传统预应力门式刚架预应力效果更明显、具有更大的承载能力
. d a+ ^5 q5 B2 y' } 施加预应力后,不难从刚架内力图(图3)上看出,不仅钢拉索对柱顶产生向内的拉力,同时与传统预应力结构比较撑竿还对刚架产生向上的顶力。向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载,因此施加了预应力后的索支撑门式刚架承受外荷载后,梁柱中最终弯矩减小甚至反号。 # f$ S" Q+ _, E/ ~2 P
预应力钢索和撑竿的内力随着外荷载的施加而变化(图8和图9),在起控制作用的竖向荷载作用下钢索和撑竿的内力有显著增加,对整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用。 , K1 u" x5 R8 e4 D* `& N
(2) 较传统预应力门式刚架结构具有更大的结构刚度 # J* O! [$ T4 `7 g# R" S
拉索不仅仅给结构施加了预应力,而且成为刚架横梁的下弦杆,无疑较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。
5 I( ^% J' S$ k此外,在竖向荷载作用下,索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用,增强了刚架特别是梁的刚度。 / C/ Q0 i5 Y8 h; j; w( W& H3 w+ D
(3)避免刚架梁在平面内失稳 0 c6 b1 k6 [" @+ S1 E
对于一般屋面坡度较小的实腹刚架来说,刚架横梁的轴向力较小,所以设计时不需验算横梁的平面内稳定承载力,而横梁的平面外的稳定性则靠檩条和隅撑来保证。预应力门式刚架中的横梁面外稳定性同样靠檩条和隅撑来保证,但其面内的力学性能与一般刚架不同。因为拉索中的预拉力在使刚架梁产生上拱变形的同时,还给斜梁施加了一个较大的轴向压力,这样斜梁就成为一个典型的压弯构件,其稳定问题不容忽视。而索支承门式刚架结构则很好的解决了这一问题:索支承结构中的拉索通过竖撑竿杆不仅给刚架施加了预应力,而且竖杆端部也成为了刚架梁在刚架平面内的一个弹性支承点,这样刚架横梁在平面内的稳定计算长度便可大为折减。布置若干个这样的竖杆便可保证了刚架梁平面内的稳定性[2]。
" K# U. K. G) ?* O: |四、实例分析 9 N: N2 C- b8 H2 i' }; S9 H3 Z
为分析索支撑实腹式门式刚架的受力性能,本文对跨度72m,檐口高度24m,柱距9m,屋面坡度1:20的某粮食仓库采用索支撑门式刚架进行了计算。
2 T1 t A4 M1 `# x) a考虑到撑竿在施加预应力过程中伸长量很大,计算时应考虑大变形。本文采用几何非线性方法进行计算,以一榀刚架为单元,按平面结构处理。 2 P$ Q0 b, f# m( X
施工过程中刚架的实际受荷过程分三个阶段:
8 L0 c: u% u# O第一阶段——刚架在现场拼装完成后,此时刚架只承受自重。
d6 N0 g: Z) R; o( E第二阶段——刚架拼装后,安装钢拉索和撑竿,然后旋撑竿施加预应力,此时刚架同时承受自重和预应力。 0 O* ?$ |4 {+ ]" W
第三阶段——刚架在正常使用阶段承受全部使用荷载。
' D( }1 v" q( b6 d2 s* W1 }因此,刚架受力性能分析计算按照以上三个阶段进行。 / a1 w$ Y# @, S3 H8 J3 d, U
刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下几种计算工况:
! J! R$ S1 E# {, U7 n (1)1. 2恒荷载+1.4活荷载 & ~4 a: r% l; {) C4 [, S# O
(2)1.0恒荷载+1.4风荷载(向右) ; Z; q# n7 W+ X+ z
(3)1.2恒荷载+1.4风荷载(向右)
4 b7 M* V7 _4 [# J' J' P (4)1.2恒荷载+1.4×0.85(活荷载+风荷载(向右)) + n) |4 g! Z+ v# i$ _# l, I
通过仔细分析表1中数据和不同阶段刚架内力变化图可以看出,施加了预应力后的梁柱节点弯矩由自重作用下的-503.67KNm增至217.03KNm,梁跨中弯矩由313.78KNm减至-365.96KNm(图7)。此时刚架梁柱的内(应)力几乎与竖向荷载作用下的内(应)力反号,预应力对刚架起到了很好的卸载作用,而且刚架梁柱的应力均不大(表1)。刚架承受外荷载作用时,虽然2、3两种荷载组合作用下由于风荷载对屋盖向上的吸力作用,刚架的内力在施加预应力后的内力基础上略有增加,但结果表明这两种工况引起的最终内力都不起控制作用。在竖向荷载作用下,刚架梁柱节点和跨中内力分别由第二阶段的217.03KNm和-365.96KNm逐渐变到-1273.12KNm和116.05KNm(图7)。 9 _8 A7 W9 ]# ^8 Z( p& a
施加预应力后刚架梁的跨中挠度由自重作用下的180.2mm(向下)变为263.2mm(向上),柱顶侧移由7.2mm(向外)变为18.8mm(向内)(表1)。
& f2 g1 ?! s v( `& z! Z3 L 对截面进行进一步优化后,上述72m跨度的粮仓采用索支承预应力门式刚架用钢量(仅为刚架部分,未包括钢拉索和撑竿)为32.2 kg/m2,比原来用普通门式刚架(文献[8])节省用钢量约35%左右。即采用撑竿和钢索施加预应力可以提高大跨度门式刚架的经济指标,从而增大门式刚架的经济适用跨度。 9 i8 ]& r3 E8 K, ]8 @
, ~" \1 U& U$ \- t) A
; c" L" b0 B- |* q9 f7 t: X
五、小结
V5 t6 ]9 ]. o- l* c 索支承实腹式门式刚架增大了实腹式门式刚架的实用经济跨度,改善了梁柱的受力性能,提高了承载能力,增大了整体刚度。与直线式布索的普通预应力刚架比较索支承刚架的预应力效果更明显,整体刚度更大,施加预应力的方法施工简便,容易实现。 ! @* `) b2 Y+ M; t2 m5 o. c: I5 a1 U
参 考 文 献 1 y6 t6 Z+ C# ^2 t3 c( ?- [
[1] 钟善桐编著.预应力钢结构.哈尔滨工业大学出版社,1986 " f- K! l2 s- @: z3 w
[2] 陆赐麟 葛亚非.预应力钢压杆的理论及试验研究.建筑结构学报,1990,(5)
5 L/ |1 u+ g3 J- c3 j[3] Michael S.Troitsky. Journal of Structural Engineering,1989,(6)
* P! b( n1 v& P) L0 H[4] Miloslav Tochacek. Further stability Problems of Prestressed Steel Structure. Journal of Constructional Steel Research,1992,(2) ) S* x& \3 Q! H/ V4 f
[5] 白正仙.张弦梁结构的理论分析与试验研究.天津大学博士研究生毕业论文,1999
0 E ^ \1 N, |! [4 G[6] 陆赐麟.预应力钢结构技术讲座(1)~(4). 钢结构,1997,(4)~2000,(2)
" x# ^0 H l" h4 h# A) h[7] 吕志涛 孟少平编著.现代预应力设计.中国建筑工业出版社,1998
5 R/ Q8 |! p# p# _& u1 d$ Y& s[8] 宿明彬 胡战波.大跨度门式刚架钢结构轻型房屋建筑的应用,钢结构,2000,(10)
- O8 R$ B! U |8 B1 s[9] 石小敏 王元清 石永久. 预应力钢结构及其在大跨度门式刚架中的应用研究.钢结构增刊,2000,10
$ z$ T% G6 `+ m0 l# }/ s3 d% t/ E: ~2 M
3 R( r8 H7 r! {9 j
' o8 A* N Q6 _2 |% T; Z% t5 r- K( q6 A6 i
钢结构住宅加强钢结构体系住宅成套技术研究 7 J. z' ]/ W6 k9 B- Q9 v4 W r: t
住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,住宅产业将成为推动 我国经济发展新的增长点。而住宅产业化的前提是具备与住宅产业化 相配套的新技术、新材料和新体系。如新型的墙体及楼板材料,新的 结构体系等。钢结构体系住宅易于实现工业化生产,标准化制作,而 与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料;钢结构建筑 属绿色环保型建筑,可再生重复利用,符合可持续发展的战略。因此, 钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速 发展,而且该成套技术是住宅产业化的核心技术之一,其研究成果的 水平直接影响着我国住宅产业的发展水平和发展前途。 3 Q! M+ z3 Z' \6 m
& t8 R: t7 P$ N. y
我国年钢产量已高达1.2亿吨,而钢材在建筑钢结构中的使用量 却极少,所占比例不到1%,距发达国家相差十几倍甚至二十几倍。国 家建设部及国家冶金工业局成立了建筑用钢领导小组,其主要任务就 是促进在建筑上用钢的比例。因此,钢结构建筑,尤其是占建筑比例 较大的钢结构住宅建筑是我国重点发展的对象。国务院72号文件也特 别提到了钢结构体系住宅的发展。钢结构具有重量轻、抗震性能好、工业化生产程度高和施工速度 快等重要优点。虽然我国将钢结构已经用于高层、超高层建筑、轻钢 厂房以及大跨度的空间结构中,并且制订了相应的规范、标准,但在 住宅建筑中还极少甚至可以说还没有完整的钢结构体系住宅,属国内 空白,没有相应标准。因此,经济合理、安全可靠的钢结构体系还没 有进行系统的研究,例如对不同层数和高度的住宅应采用不同的结构 形式,是采用纯钢框架或支撑框架,还是采用钢框架加混凝土剪力墙 以及钢骨混凝土结构或钢管混凝土结构,其钢构件的截面型式是采用 热轧H型钢,还是采用焊接H型钢,还是采用箱型截面更合理等等。结 合住宅的可改造性,灵活分隔的特性,加强采用巨型结构加子结构, 主结构构件与非主结构构件相结合可以拆移重新组装的结构体系的研 究也十分必要。研究钢结构新的防火措施,研制并应用耐火钢也具有 重要的经济和社会效益。新型的节能墙体材料可在我国目前现有的产 品基础上进行技术改造,提高技术含量,生产出高品质的墙体板材, 现场施工便捷,施工质量易于保证。楼板型式应是与钢结构体系相配 套的研究内容。
% Q- @2 l! ~! b$ ?+ j# W: X' Y3 ]/ i* F8 t8 B
然因各国的情况不同,在节能环保型钢结构体系住宅的发展途 径和方式各有所不同,在欧洲及美国,该住宅主要用于多层结构,因 为其高层住宅较少。而在日本由于地震的经常发生,故而大量采用这 种结构体系的住宅。据悉,台湾大地震调查结果表明,在强地震带附 近凡是没有倒塌的建筑几乎全部是钢结构建筑,因此在新建的住宅及 其他建筑中几乎全部是钢结构方案。 " E9 ]) k' K% T
从住宅建筑的发展来看,钢结构住宅具有以下技术优势: ) N) F0 ^' S5 X- J: T' M0 L: w
1.比起传统的结构,可以更好的满足建筑上大开间、灵活分隔的 要求,并可以提高使用面积率5%~8%。 3 \$ w8 h! p, j, y6 j) h
2.与钢结构配套技术的轻质墙板、复合楼板等采用新型材料,符 合节能建筑的要求。
1 r R2 B- @* C4 G/ K4 X# b3.钢结构构件及其配套技术相应部件绝大部分可以实现工厂化制 做、产品化。
5 b! W3 ^9 A) l3 I4 \4.钢结构住宅体系可以实现住宅建筑技术集成化的产业化新思路。
0 F) H1 j4 O0 ^9 A% w n, Z5.钢结构住宅体系工业化生产程度高,现场湿作业少,符合环保 建筑的要求。 6 l2 U1 Z- a# K8 b- l9 s) @7 w
6.钢结构体系自重轻(约为混凝土结构的一半),可以大大减少 基础的造价。
* R( O' Q1 R: G: S7.钢结构体系施工周期短(约为混凝土结构的1/3至1/2),可 以大大缩短投资资金的占有周期,可以大大提高资金的投资效益。 " n, Q3 o0 R$ Z; \ L+ o
, Z; x7 g' j7 @' W* A( H7 } 8.钢结构体系住宅直接造价略高于混凝土结构,但其综合效益却 明显高于传统的住宅体系。
$ I/ Q$ U, V& F; i+ q! Q1 ?. u经过对国内外该领域研究成果的查询及调研,我国目前虽然还没 有完全成熟的成套技术及产品,但却有相当好的基础,而且经过技术 引进和改造完全可以在较短的时间内建立起具有技术创新的成套技术 和产品。由于过去缺乏技术引导,市场需求没有达到产业化程度,因 此目前的相关产品功能性单一,工业化程度还不够高,产品质量还不 能满足住宅产业化的标准。目前该技术零散而不系统,技术水平及标 准参差不齐,不配套,需进一步研究创新并进行整合。 " l `3 v7 @( H5 k, g
钢结构体系住宅成套技术以新产品和新技术两种形式产出。新产 品需在具备良好生产条件能满足需求技术水平的指定企业进行生产, 由少量试生产到规模批量生产,形成完整的质量保证体系,确保质量 的稳定性。新技术在试验研究的基础上,经过专家论证,并交施工企 业联合探讨实施过程中的技术措施和技术保障,以及质量管理体系的 建立,从而使该技术在实际使用条件下具有很好的可靠性。
9 g" L% g# h n x( V& g2 T1 Z& i& F, ~$ r
虽然我国目前还没有钢结构体系住宅专门的技术规范,但可以参 考已有的《钢结构设计规程》、《高层民用建筑钢结构设计规程》、 《建筑防火设计规程》、《住宅建筑设计规范》等。 2 c) Z0 V4 n3 c9 [8 A! J# s: {
节能、环保型钢结构体系住宅成套技术从主体结构体系到围护结 构体系都应进行具有创新意义的研究开发,其研究成果将填补国内空 白。具有绿色建筑美誉的钢结构,其材料可再生利用性、可改造性为 我国实施可持续发展战略提供了很好的条件。节能环保型的墙体材料 将开辟我国墙体改革的崭新一页。 2 a7 m5 q( u# s1 v9 I! x6 \, h- Z
3 i1 _* U4 l; _5 t. {% h! E
为了有利于钢结构体系住宅开发,应具体从以下几个方面进行研 究开发:
$ t( K* U5 x& r" H' k1.首先要研究开发并设计出经济合理的,具有广泛推广价值的钢 结构体系。 ! Z P$ u( ]' q8 Z6 n4 _
2.创立与钢结构体系相配套的产品及技术体系,如内外墙板产品 系列、楼板系列及防火材料和防火技术措施体系。
0 L6 n4 l- N# z5 I3.建立企业的钢结构体系住宅成套技术标准。 H9 x# j# f. t+ O+ B0 T& r, A
4.形成符合企业标准的钢结构体系住宅成套产品的定点生产企业 及厂家网络,按照不同的技术要求及产品标准安排相关企业进行生产。 / s1 a) ~( R2 A( Y) z! h6 U8 k
+ Z9 C3 i* u3 N7 N7 v& a4 [ 由于该技术产品最适用于规模生产,为住宅产业化提供技术条件, 但是由于其技术产品的转化又依赖于住宅产业化的程度,所以该技术 将伴随着我国住宅产业的发展而越来越显示其重要的价值。
& O% C9 S; x+ g5 b. ?8 A冶金部建筑研究总院杨蔚彪博士
0 z$ w) {! N# t: R* G2000-11-24 5 }# x$ g) t- S* o8 v
7 A- d: v! o$ _2 p* N: Z# A: l, \6 l) t8 k; S4 G, h
9 _+ c" E& v7 k/ ?0 g& @; y
8 o! H! I) {. y8 z' } y
- I3 m3 Z0 b/ ~* w4 _" }2 b% `钢结构抗火设计方法的发展 0 X. o9 a/ }2 _1 A% q7 L
7 D1 Z# p3 v- ~" K. f李国强 1 V! n+ r" {9 q
同济大学
% C& L- p' [' J! n8 `. A
7 H) k# g" q, `: R一、火灾对钢结构的危害 ) I; q1 }2 X3 E
钢材虽为非燃烧材料,但钢不耐火,温度为400℃时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半,温度达到600℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏。例如,1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾,钢结构屋顶被烧塌,1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾,楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右;1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾,造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏;1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾,造成3600m2的库房倒塌;1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾,4320m2的厂房烧塌,1998年北京某家具城发生火灾,造成该建筑(钢结构)整体倒塌。表1是我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。
+ q9 c8 d' Y5 K& E' |2 o& x建筑名称 结构类型 火灾日期 破坏情况 2 e+ |2 M9 T9 t
重庆天原化工厂 钢屋架 1960.2.18 20min倒塌
6 i, n0 q0 u+ L J上海文化广场 钢屋架 1969.12 倒塌 % l, p5 H! [5 ~
天津市体育馆 钢屋架 1973.5.5 19min倒塌
0 R( w+ k! ?# |7 \! ]长春卷烟厂 钢木屋架 1981.4.5 倒塌 ) ~7 `( B r9 Q4 H# |
北京友谊宾馆剧场 钢木屋架 1983.12 20min倒塌
; M( m+ T" o: A- I4 l7 J唐山市棉纺织厂 钢梁 1986.2.8 20min倒塌 9 x( m: U f7 T% c6 O$ X
北京高压气瓶厂 钢屋架 1986.4.8 倒塌
; m, J+ A. ~. S6 @江油电厂俱乐部 钢屋架 1987.4.21 20min倒塌 5 N9 M7 ]5 Y. }* L5 [8 `
0 D' `( c! s) a2 m
二、结构耐火极限
8 I+ D8 y4 p4 D' f8 [长期以来,建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题,结构工程师设计时考虑结构防火(对结构更适合称抗火)问题的不多。确实,建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题,目的在于减轻火灾损失,减少人员伤亡。然而,作为防火分隔的防火墙靠结构支承,如果火灾中支承结构破坏,防火墙也起不了防火分隔作用;还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏,造成的人员伤亡将更为严重;此外,建筑结构构件(如梁、楼板、楼梯等)在火灾中如果破坏,会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间(或耐火极限)的规定。表2是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。
6 N& Y" {8 [& y8 [' T: a耐火等级燃烧性能和耐火极限(h)构件名称 一级 二级 三级 四级
- Z2 U4 S( r& K' j! f# s墙 防火墙 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00 非燃烧体4.00 6 X ]$ C: p5 n; \* M0 a! \
承重墙、楼梯间、电梯井的墙 非燃烧体3.00 非燃烧体2.50 非燃烧体2.50 难燃烧体0.50 8 d/ X q& O, J
柱 支承多层的柱 非燃烧体3.00 非燃烧体2.50 非燃烧体2.50 难燃烧体0.50
4 D8 e$ w( c3 f' j 支承单层的柱 非燃烧体2.50 非燃烧体2.00 非燃烧体2.00 燃烧体 3 ^; e/ I: u2 a, a9 O5 b2 s
梁 非燃烧体2.00 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 难燃烧体0.50
; w! d/ f) y. n \" [楼板 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 非燃烧体0.50 难燃烧体0.25
0 }7 z, Z( s! k( l$ I0 v屋顶承重构件 非燃烧体1.50 非燃烧体0.50 燃烧体 燃烧体
, l- l: H1 D9 F* ]% g5 q疏散楼梯 非燃烧体1.50 非燃烧体1.00 非燃烧体1.00 燃烧体
- p: f, o; q5 ~6 K: E V; G( I# B1 q. R* v
三、钢结构抗火设计的目标与意义 + C, S+ l6 @1 O3 j; E" b' q
钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢虽为非燃烧材料,但不耐火,在火灾高温下,结构钢的强度和刚度都将迅速降低(图1),而火灾升温迅速(表3),故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此钢结构抗火设计的一般要求是:如何定量地确定防火保护措施,使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。 # g6 w0 K2 Y/ u& _- ?: P L
进行结构抗火设计具有如下意义:
2 j% n& v+ f5 U. x; A(1)减轻结构在火灾中的破坏,避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难; 5 {8 \! p+ u& q6 ~3 q ?
(2)避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡;
/ m2 n! S, t+ F v8 {9 x! U ~7 z(3)减少火灾后结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。 . P6 S( {4 H0 O; s" w
! |. i/ N, p1 J7 C' @& n! d四、传统的钢结构抗火设计方法 6 M% l" Z) N) G& i% U1 f
传统上,建筑结构构件的耐火时间由试验确定。进行建筑防火设计时,涉及到结构构件,只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可,因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄。 / S4 v, g( ]8 U' t' f
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,来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,特别是英国、瑞典、美国、日本等从70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究工作。
* ?; K4 _. u) Q; U3 H 从以前发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象,一类为有防火保护的钢结构在火灾中因没有达到预期的耐火时间而破坏,另一类为有防火保护的钢结构在超过预期耐火时间的火灾中并没有破坏。经分析,造成这两类现象虽有实际火灾升温与标准火灾升温不一致的原因,但另一个重要原因是,由试验确定的构件耐火时间,不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间,从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。因此通过计算进行钢结构的抗火设计,其意义是显著的。实际上,目前英国、瑞典、美国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构抗火设计规范,其中均规定了进行结构抗火计算的内容。 , D. W5 @* O F+ ]9 s% K* A
: k& X4 Y, a3 |/ l) B
五、基于计算的现代钢结构抗火设计方法
0 n. I, @! F+ H+ j8 c4 d, ^ 基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题,目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断,考虑温度内力的影响,在我国第一部钢结构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》中即采纳了这种方法,其计算过程如下: : R! T5 U: Y" F" s2 u( e
(1)采用确定的防火措施,设定一定的防火被覆厚度。
2 ~% C5 x) ]3 O4 z- o(2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
, x/ V9 S2 x0 p) K" V8 g(3)采用确定高温下钢的材料参数,计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
. o! `/ }6 q3 m3 R(4)进行荷载效应组合
3 _7 a2 f; d4 q2 ~(5)根据构件和受载的类型,进行构件耐火承载力极限状态验算。
8 V( r( D; S' s' z% t0 t(6)当设定的防火被覆厚度不合适时(过小或过大),可调整防火被覆厚度,重复上述(1)~(5)步骤。 0 A% n* A& L5 k) N
; q" Z1 _9 M( w六、结构抗火设计方法的发展趋势 ' M c$ s8 v* u( ?2 t
结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏,并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构,一般情况下结构局部少数构件发生破坏,将引起结构内力重分布,结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时,则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理,目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题,还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。 3 r3 E1 V6 o0 q. H
现代结构设计以概率可靠度为目标,因火灾的发生具有随机性,且火灾发生后空气升温的变异性很大,要实现结构抗火的概率可靠度设计,必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题,但必将是结构抗火设计的发展方向。
O( Z$ n6 [# M( C! {3 W1 \3 S
! x) G( D$ y! f$ C/ F8 b7 Z[ 本帖最后由 技术型工人 于 2007-4-24 08:57 编辑 ] |