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为满足结构抗火的要求(具体为耐火时间要求),需进行结构抗火设计。随着人们对结构抗火认识的不断深化和结构杭火计算与设计理论研究的不断深入,结构抗火设计的方法也在不断发展。对于钢结构,其抗火设计方法的发展可分为以下四个阶段。 一、基于试验的构件抗火设计方法 这种方法以试验为设计依据,通过进行不同类型构件(梁和柱)在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验,确定在采取不同防火措施(如防火涂料)后构件的耐火时间。通过进行一系列的试验可确定各种防火措施(包括同种防火措施不同防护程度,如不同防火涂料厚度)相应的构件耐火时间。进行结构抗火设计时,可根据构件的耐火时间要求。直接选取对应的防火保护措施。 基于试验的构件抗火设计方法,简单、直观、应用方便。最初各国钢结构的抗火设计均采用这种方法。实际上,目前我国现行《建筑设计防火规范》(GBJ 16-8”关于钢梁和钢柱防火措施要求,正是基于这种方法。 然而,基于试验的构件抗火设计方法存在严重缺陷,这种缺陷源于对下列因素的影响很难加以考虑: (1)荷载分布与大小影响。例如,在荷载大小相同的条件下,无偏心的轴压柱的耐火时间将比偏心受压柱的耐火时间长;而在荷载分布相同的条件下,显然荷载越大,构件耐火时间越短。由于实际结构构件所受的荷载分布与大小千变万化,结构各构件实际受载状态与试验的标准受载状态很难完全一致。 (2)构件的端部约束状态的影响。构件在结构中受到相邻其它构件的约束,构件的端部约束状态不同,构件的承载力及火灾升温所产生的构件温度内力将不同,而这两方面对构件的耐火时间均有重要的影响。结构中构件的端部约束状态同样千变万化,试验很难准确和全面的加以模拟。
二、基于计算的构件抗火设计方法 为考虑荷载的分布与大小及构件的端部约束状态对构件耐火时间的影响,可按所设计结构的实际情况进行一系列构件的耐火试验,但这样做的费用非常昂贵。 为解决基于试验的构件抗火设计方法存在的问题,钢结构构件抗火计算理论研究引起了很多研究者的重视,开展了大量研究。理论研究以有限元为主,也有的采用经典解析分析方法,基本建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家(组织)的钢结构设计规范采用。我国上海市标准《钢结构防火技术规程》也将采用这种方法。
三、基于计算的结构抗火设计方法 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。
四、考虑火灾随机性的结构抗火设计方法 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。
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