钢结构抗火设计的研究进展与面临问题

张兴丽

张兴丽

山东建筑大学土木工程学院山东济南250014

摘要：钢结构的抗火研究一直是建筑安全领域的研究重点，吸引了各国学者的广泛关注和深入研究，并取得了大量的成果。本文简要地介绍了建筑钢结构抗火研究的重要性和意义，对钢结构火灾中的研究成果进行了较为系统的总结，同时指出了其中存在的某些未完善的问题和进一步的研究方向。

关键词：钢结构;火灾;抗火研究；面临问题

1引言

作为建筑物常用的材料，钢以其强度高、重量轻、抗震性能好和可靠性高等众多突出的优点而在工程实际中得到了广泛应用。但是钢的耐火性能较差，当温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材将基本丧失全部强度和刚度。从上世纪90年代以来，钢结构的抗火研究一直是建筑安全领域的研究重点，吸引了各国学者的广泛关注和深入研究，并取得了大量成果。

钢结构抗火研究的重要意义在于：1)减轻或避免结构在火灾中的破坏，或者使结构具有一定的耐火的期限，保障生命安全；2)减少火灾后结构的修复费用，缩短火灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失；3)为结构的抗火设计中节省材料、提高钢结构的安全性提供科学的依据；4)通过对结构热力耦合作用的全过程分析，揭示火灾下钢结构基本的力学行为，准确描述温度变化时结构破坏的机理和准则。

2钢结构抗火设计的研究进展

2.1室内火灾的升温曲线

建筑室内火灾的发展过程是与建筑结构热力响应行为密不可分的决定因素，它将导致结构的温升、强度和变形发展变化等，甚至最终可能造成建筑结构的整体倒塌。因此，进行结构的抗火研究时，深入地分析建筑内火灾的行为规律是非常必要的。

为方便研究，室内火灾的行为规律和对结构的热影响效果通常以一条温度-时间曲线来描述。当前研究中普遍应用的曲线即为国际标准化组织规定的标准火灾曲线(ISO834)，ISO834曲线是室内温升中一种用以衡量与对比各种建筑结构耐火性能的公用标准，较适合于工程设计和科学研究，但这种温升曲线并未考虑具体失火房间影响火灾性状的各个因素，如火灾荷载、通风系数等。因此，深入分析和研究实际室内火灾的升温曲线，以求更加接近真实的火灾环境成为众多研究者的研究目标。

目前国际上流行的做法，就是利用“等效曝火时间”的概念来描述实际的室内火灾升温曲线，这种方法既更好的反映了真实火灾对结构的破坏程度，又能保持标准火灾升温曲线的实用性，可最大限度地方便科研和工程实际应用。

2.2高温下钢材的性能

研究表明，钢结构能否达到抗火设计的要求很大程度上取决于火灾下材料的物理性质和力学性能。钢的应力-应变关系的模型很多，一般都是分段模型。最简单的是分段直线模型，即给出一定温度下各控制应力点的应变值，在相邻点之间连成直线，这种类型的模型简单且精度较高，因此应用也较广。连续光滑的模型则相对比较少，表达式也较复杂，但更接近于真实材料的本构特性。

目前许多国家和地区的抗火设计规范都以曲线或表格的形式详细给出了钢材高温下的本构模型以及相关的性质参数。研究表明不同国家和组织之间采用的标准有较大的差别。与国外相比我国这方面的研究相对滞后，国内规范还没有正式提出适合我国建筑钢材的力学性能模型。

2.3构件的温度响应

清楚了解构件内部各点的温度变化过程是计算火灾中构件及结构反应的前提，这也是进行火灾后结构的损伤分析和制定加固或拆除决策的基础。构件温度场研究主要有以下目的:1)为计算温度载荷项和计入材料高温劣化的影响提供基础;2)为直接计算构件保护层的厚度提供基础;3)为简化的温度梯度分布模式提供依据。

钢结构温度场的研究大多是以标准室内升温曲线为基础，即在给定的室内火灾升温曲线下，由热空气主要以辐射、对流的方式向钢结构传热，而作为固体的钢结构内部则以热传导的方式研究构件的传热。因此影响钢构件中温度场分布的主要因素有:室内火灾升温曲线、受火方式、钢材料的热工性能、保护层的厚度和性质、构件截面形状和尺寸等。

3面临问题

当前建筑钢结构抗火的性能研究已经取得了很大进展。今后一段时期内，建筑结构抗火性能研究将面临以下几个问题:研究内容多样化、实验设备大型化、实验研究足尺化、考虑因素综合化、分析软件专门化和设计方法性能化。具体有:

1)结构抗火相对完善但还需更进一步研究的领域。如更加趋于真实火灾情况下的室内升温模型、结构温度场分布模型、材料高温本构关系模型(包括升温和降温条件)以及钢高温下的连接特性等的研究，这是因为从结构构件所处的实际条件出发去评估其耐火稳定性已成为当前建筑结构耐火研究的主要发展趋势。此外还有建筑结构防火保护层随温度变化，自身和对所保护的建筑结构的温度响应和结构响应机理;降温条件下的结构响应机制与安全评定准则和方法;灾后结构安全评估机制和方法。

2)结构抗火的数值方法研究领域，还需要更先进的计算方法和实用的简化方法，并将实验研究、理论分析和数值计算结合起来，共同构成建筑结构抗火的研究体系，以清楚准确地了解结构火灾下的动态响应机制以及各种参变量的变化范围和程度。此外还需开发相应的计算软件以方便科研和工程应用。

3)钢构件和结构抗火的分析和设计理论领域。由于火灾中影响极限状态的各种因素存在客观的变异性，而且还存在未知的不确定性，因此常规的安全系数法和基于确定性的数值分析方法，不可避免的过大或过小的估计构件和结构的抗火性能。基于随机有限元和工程概率可靠度的分析和设计理念显然和基于性能化的抗火设计理念一样都是火灾下钢结构研究的未来方向，它不仅更加科学和合理，而且也与常温下钢结构研究的目标和方向一致。

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