2018年4月1日,，《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB 51249-2017開始實(shí)施,，其中包含多項強(qiáng)條，引發(fā)了業(yè)界關(guān)注。大家普遍反映相關(guān)計算有些復(fù)雜,，主要是因為目前尚未有主流設(shè)計軟件跟進(jìn)該規(guī)范,，使得大家在操作時感到有些困難。為此,，筆者使用SAP2000的API編制了一款鋼結(jié)構(gòu)防火計算插件，能夠一鍵完成冗長的計算流程,，讓防火計算與設(shè)計變得簡單,。

為便于理解、應(yīng)用,，首先對鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計理論作簡要介紹,，然后對如何應(yīng)用插件予以說明。

鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下容易破壞的主要原因

（1）鋼材在火災(zāi)下力學(xué)性能大幅退化,。溫度600℃時,，結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度只有常溫時的50%；溫度700℃時,，結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度只有常溫時的20%,。高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)性能則退化更為嚴(yán)重。

（2）鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)大,，火災(zāi)下升溫快,。無防火保護(hù)的鋼構(gòu)件，在受火15~20min時,，即可能達(dá)到600℃以上,，難以達(dá)到《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB 50016規(guī)定的構(gòu)件耐火極限要求。

提高鋼構(gòu)件耐火極限的主要措施

要大幅提高鋼材在高溫下的力學(xué)性能難度很大,，且不經(jīng)濟(jì),。因此，目前提高鋼構(gòu)件耐火極限的主要措施是對其進(jìn)行防火保護(hù),。

工程中應(yīng)用最多的鋼構(gòu)件防火保護(hù)方法是涂覆防火涂料,，包括非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料，目前前者也常稱為厚型防火涂料,，后者常稱為薄型防火涂料/超薄型防火涂料,。

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB 51249還規(guī)定了工程應(yīng)用的其他鋼構(gòu)件防火保護(hù)方法，包括：包覆防火板,，澆筑混凝土,，砌筑砌塊，涂抹砂漿,，包覆防火氈等,。

以往鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法

在GB51249-2017實(shí)施之前，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計主要根據(jù)防火涂料檢測報告（按照《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》GB 14907測試）。例如：某檢測報告中,，涂抹了d厚度的防火涂料,，構(gòu)件耐火試驗測試得到的耐火極限為2.0小時。則在設(shè)計時,，對于耐火極限要求為2.0小時的構(gòu)件,，其防火涂料保護(hù)層厚度均直接取d。

以上設(shè)計方法存在較大的問題,，可能造成不安全,，或不經(jīng)濟(jì)，原因如下：

（1）防火涂料檢測報告給出的涂層厚度,，是針對特定的構(gòu)件和指定的荷載比（GB 14907規(guī)定采用I36b或I40b工字鋼）,。但是，實(shí)際工程中構(gòu)件的截面,、構(gòu)件的荷載比,，一般都不同于GB 14907規(guī)定。

（2）構(gòu)件的荷載比是影響構(gòu)件耐火時間的主要因素之一,。顯而易見,，當(dāng)構(gòu)件的荷載比為0時，火災(zāi)下構(gòu)件不會出現(xiàn)破壞,，除非熔化,；當(dāng)構(gòu)件的荷載比接近于1時，溫度較低的時候,，構(gòu)件就會出現(xiàn)破壞,。因此，抗火設(shè)計應(yīng)考慮構(gòu)件的實(shí)際受力情況（荷載比）,。

（3）構(gòu)件的截面形狀系數(shù)是影響構(gòu)件耐火時間的主要因素之一,。構(gòu)件的截面形狀系數(shù)為：截面周長與截面面積之比，表征了構(gòu)件的厚實(shí)程度,。顯而易見,，鋼板越薄，截面形狀系數(shù)越大,，火災(zāi)下升溫越快,，耐火極限越小。

抗火設(shè)計方法與計算流程

（1）關(guān)于荷載組合

根據(jù)GB51249第3.2.3條,，絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)不需要采用基于整體結(jié)構(gòu)耐火驗算的防火設(shè)計方法,。

按照GB51249第3.2.5條，對于受彎構(gòu)件,、拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件等以彎曲變形為主的構(gòu)件,，可不考慮熱膨脹效應(yīng),，且火災(zāi)下構(gòu)件的邊界約束和在外荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力可采用常溫下的邊界約束和內(nèi)力，計算構(gòu)件在火災(zāi)下的組合效應(yīng),。

根據(jù)以上,，可極大簡化鋼框架等結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計。按第3.2.2條進(jìn)行抗火荷載組合時,，可忽略溫度內(nèi)力項,，直接采用常溫下的各工況的內(nèi)力，考慮抗火分項系數(shù)進(jìn)行組合,。對此,，現(xiàn)有的設(shè)計軟件，均可滿足使用要求,。

（2）抗火設(shè)計方法

按第3.2.6條，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗算和防火設(shè)計,，可采用承載力法或臨界溫度法,。這兩種方法的使用流程如下：

承載力法

1.確定防火保護(hù)方法，設(shè)定防火保護(hù)層厚度（可設(shè)定為無防火保護(hù)）,；

2.按第6章,，計算構(gòu)件溫度【由本插件計算】；

3.按第5.1節(jié),，確定高溫下鋼材的力學(xué)參數(shù)【由本插件計算】,；

4.按第3.2.2條，計算構(gòu)件荷載效應(yīng)組合【由SAP2000計算】,；

5.按第7.1節(jié),，驗算構(gòu)件耐火承載力【由SAP2000計算】；

6.當(dāng)防火保護(hù)層厚度過小或過大時,，調(diào)整厚度,，重復(fù)上述步驟。

臨界溫度法（注：此項功能待下一步開發(fā)）

1.按第3.2.2條,，計算構(gòu)件荷載效應(yīng)組合,；

2.計算火災(zāi)下構(gòu)件的荷載比；

3.按第7.2節(jié),，計算構(gòu)件的臨界溫度,；

4.按第7.2.8、7.2.9條計算防火保護(hù)層的厚度,。

從以上可見,，在不需要考慮溫度內(nèi)力的情況下，臨界溫度法的應(yīng)用是比較方便的?，F(xiàn)有的設(shè)計軟件,，可直接計算火災(zāi)下構(gòu)件的荷載比；然后查7.2節(jié)表格即可得到臨界溫度，然后用7.2.8/7.2.9條的公式計算厚度,。7.2.8/7.2.9條的公式為顯式公式,，不需要迭代計算，應(yīng)用時較為簡便,。

（3）構(gòu)件歸類

對每個構(gòu)件都給出不同的防火保護(hù)厚度,，顯然是難以實(shí)施的。為了簡化設(shè)計和便于施工,，有必要對構(gòu)件按照樓層,、構(gòu)件截面等進(jìn)行適當(dāng)歸類，取其最不利的結(jié)果作為該歸類集合組構(gòu)件的防火保護(hù)厚度,。

插件功能模塊組成

現(xiàn)插件包含兩個模塊：

（1）“承載力法”鋼構(gòu)件抗火計算,；

（2）鋼—混凝土組合梁抗火設(shè)計（規(guī)范8.3節(jié)）

插件安裝

（1）雙擊msi文件，一路按照默認(rèn)安裝完成,；

（2）打開SAP2000對應(yīng)版本,，點(diǎn)擊菜單欄中的Tools標(biāo)簽，選擇Add/show Plug ins,，在Plug in Name中輸入firecal2_v17（或firecal2_v19）,，Menu Text輸入任意名稱，例如“防火計算插件”,，點(diǎn)擊右邊Add按鈕,，Status變?yōu)镺K即安裝成功，Tools下拉菜單中將出現(xiàn)這個插件,。

模塊1：鋼構(gòu)件抗火設(shè)計

打開插件,，主界面如下：

首先在窗口中選中需要計算的一根構(gòu)件，使其處于高亮狀態(tài),。

在主界面中選擇,、填入各項參數(shù)，有無防火保護(hù)均可計算,，保護(hù)類型包括規(guī)范中的非輕質(zhì)防火保護(hù)層,、膨脹型防火涂料、非膨脹型防火涂料以及筆者自己加的C20混凝土,，截面類型包括工字鋼,、箱型截面和圓管。

選擇不同的涂料類型時,，下拉框和填框會自動根據(jù)計算方法不同變?yōu)榭商罨虿豢商顮顟B(tài),，需根據(jù)6.2節(jié)相關(guān)參數(shù)的解釋把可填的地方全部填上參數(shù)（注意單位），然后點(diǎn)擊“生成”,，即可馬上根據(jù)所選構(gòu)件的截面參數(shù),、材料本構(gòu)計算出鋼構(gòu)件的升溫值以及本構(gòu)折減情況,，彈框顯示，并將該構(gòu)件的材料本構(gòu)修改為受火后的本構(gòu),，便于有限元計算,。

在鋼構(gòu)件的升溫計算中（6.2.1、6.2.2節(jié)）,，規(guī)范中采用了一種時間增量迭代的方法,，經(jīng)校核，增量步取1~5s,，結(jié)果都沒有太大差異,，在本插件中增量步統(tǒng)一取為1s。規(guī)范6.2.3節(jié)同時提供了一種輕質(zhì)防火保護(hù)層的升溫近似算法（本插件未采用）,，跟增量迭代法進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),，誤差一般不超過10%。

模塊2：鋼與混凝土組合梁抗火設(shè)計

選擇“鋼—混凝土組合梁抗火設(shè)計”標(biāo)簽,，窗口變?yōu)橐韵拢?/span>

依然首先在模型中選擇一根構(gòu)件,，然后按照規(guī)范8.3節(jié)中的內(nèi)容選擇或輸入各項參數(shù)，點(diǎn)擊“驗算”即可彈出各項計算結(jié)果,。

在規(guī)范中，塑性中和軸的位置有三種情況：混凝土翼板內(nèi),、鋼梁上翼緣內(nèi),、鋼梁腹板內(nèi)，程序中將其命名為一類,、二類,、三類截面，能夠自動判斷并應(yīng)用相應(yīng)的計算公式,。

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