谈钢结构抗火的进展趋势

【摘要】火灾高温对结构材性有显著影响，因此火灾极易造成结构损伤、破坏甚至倒塌。随着建筑事业的发展和建设水平的提高，合理进行结构的抗火设计正越来越受到学术界和工程界的重视。本文简要谈钢结构抗火研究的主要进展，指出了结构抗火研究尚存在的问题，对结构抗火研究趋势进行了展望，并提出了目前抗火研究尚需解决的关键科学问题。

【关键词】结构抗火；钢结构；研究趋势；科学问题

1 高温下结构钢的材料特性

掌握高温条件下结构钢的性能是确定火灾下钢结构的结构性能的必要条件。与钢结构抗火有关的材料特性主要包括强度（屈服强度、极限强度）、弹性模量、热膨胀系数、应力-应变关系及热传导系数和比热等热工参数。

国内外对高温下结构钢的材料特性进行较多的试验研究，绝大部分的是进行恒温条件下的拉伸试验，另有少量的恒载条件下的升温试验，试验得到了常用的结构钢的屈服强度和极限强度与温度的关系，分别以表格和拟合公式的形式给出，由于高温条件下结构钢的应力-应变关系呈现很强的非线性，而对高温下钢结构构件的变形限制普遍比较宽松，因此对于如何确定高温下结构钢的屈服强度（设计强度）没有统一的标准，导致各试验得出高温下结构钢的屈服强度相差比较大，尤其是在 400℃～550℃范围时，所得的屈服强度折减系数相差很大，标准和 Eurocode 采用的是对应不同应变（0.5%，1.5%，2.0%）标准的屈服强度，而极限抗拉强度的结果都比较相近。

国内外还对目前新推出的耐火耐侯钢的高温材料特性进行了试验研究，结果表明在温度不超过 600℃时，耐火钢的屈服强度大大高于普通结构钢的屈服强度，能达到常温下的 66.7%以上（普通结构钢为常温下的 20%左右），而在 900℃～1000℃时，其剩余屈服强度与普通结构钢基本相同。另外国内外也对钢结构连接材料的高温性能也进行试验研究，国外（英国、日本等）曾对 8.8 级高强螺栓材料的高温性能进行了试验研究、国内同济大学曾对10.9 级高强螺栓材料的高温性能进行了研究[1]，试验表明高强螺栓材料的高温材料特性与普通结构钢类似。关于高温条件下钢结构材料的蠕变性能，国外（欧洲、日本等）曾进行相应的试验研究，研究结果也被 BSI[2]和 Eurocode[3]等标准采纳，一般认为当钢材的温度不超过 600℃，升温速度不小于 5℃・min-1 时，蠕变可以不单独考虑。

2 钢构件的抗火性能试验与理论研究

对钢结构抗火性能的研究最早是以简单的单个构件为对象开始研究的，研究方法包括试验研究和理论研究。构件的抗火性能研究主要针对钢梁、钢柱、节点、楼板进行。对高温下钢梁、钢柱的结构受力、变形性能的分析主要基于常温下的钢构件受力、变形性能分析方法，采用高温下的结构材料特性进行分析。研究表明，对于钢构件而言，热膨胀实际上是影响钢构件抗火性能的一个重要因素，其影响的大小与构件两端的约束条件有关系，研究表明，对于不同支座条件下（一铰一滚轴，两端铰，一固一铰，两端固支）的钢梁或组合梁而言，梁端铰接的梁耐火时间最长。高温下两端不能平动的钢梁即使产生很大的挠度的情况下也不会破坏，在正常荷载水平下，梁所能达到的最大位移与其所受的荷载大小没有明显关系，这主要是因为应力中起控制作用的是由热膨胀产生的温度应力。

钢构件抗火性能试验研究，对钢梁（简支梁、连续梁）、钢柱（轴心受压、偏心受压柱）、组合梁（简支梁、连续梁）进行了数量比较多的试验研究，国外主要有英国的 BRE、Manchester 大学，Sheffield 大学、法国的 CTICM、荷兰的 TNO、加拿大的 NRC 进行比较多的试验研究，我国主要是同济大学组织进行了钢梁、组合梁、钢柱、钢骨混凝土柱等的抗火性能试验研究，青岛建工学院进行了钢柱的抗火性能研究，同济大学还进行了约束钢梁的抗火性能试验，研究边界条件对钢构件抗火性能的影响。英国的Sheffield 大学、Manchester 大学对钢结构节点进行了试验研究，同济大学[4]对钢结构端板连接的抗火性能进行了试验研究。

3 钢结构整体抗火性能研究

对于钢结构的抗火性能理论研究，近期主要利用成熟的商业有限元软件包（ANSYS，ABAQUS 等）进行数值模拟。由于结构抗火分析是一个温度历程，而且温度作用、物理非线性和几何非线性等因素耦合，抗火分析的计算量非常大，同时对分析结果数据的甄别、整理和分析本身也是一个艰巨的任务，因此如何对整体结构的抗火性能进行数值模拟还是值得研究的问题。国内外均进行了钢结构的抗火试验研究，这些试验主要为了研究结构在火灾下的破坏特征，为验证分析方法提供依据。试验对象包括梁、柱组合次结构，平面钢框架模型、足尺空间钢框架结构。对于结构体系中的钢梁，只要梁端连接可靠，火灾中梁可产生很大的挠曲变形，使梁从抗弯承载机制转变为悬链线承载机制，大大提高了梁的抗火承载力；对于大型结构中的楼板，只要板下四边支承梁有可靠的防火保护，在火灾中不破坏，则楼板可产生很大的挠曲变形，通过板中钢筋网（可为抗裂温度筋）的薄膜效应承受荷载，这一受力机制可使楼板和部分次梁无需防火保护。

参考文献：

[1]李国强，李明菲，殷颖智，蒋首超.高温下高强度螺栓20MnTiB 钢的材料性能研究.土木工程学报.2001（5）：100-104.

[2]British Standards Institution，Structural Use ofSteel-work in Buildings（BS5950），Part8：Code of Practicefor Fire Resistance Design，British Standards Institution，London，1990.

[3]European Committee for Standardization （ CEN ） ，DraftprEN1993-1-2，Eurocode3：Design of Steel Structures，Part1.2：General Rules，Structural Fire Design，BritishStandards Institution，London，2000.

[4]楼国彪.钢结构高强度螺栓外伸式端板连接抗火性能研究.同济大学博士论文.2005 年 2 月.