技術(shù)干貨 | 鋼結(jié)構(gòu)防火設計的PKPM程序?qū)崿F(xiàn)
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? 引言
由于鋼結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗的不斷成熟,，鋼材成本的不斷降低，已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)中重要的材料之一,，鋼材本身屬于不可燃材料,，但是其耐火性比較差，在高溫下,，會逐漸變形,，材料強度和穩(wěn)定性迅速下降，造成結(jié)構(gòu)坍塌,，所以需要對鋼結(jié)構(gòu)建筑進行防火設計,，以延遲在突發(fā)火災下鋼結(jié)構(gòu)房屋失去穩(wěn)定而倒塌的時間,。
隨著《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》 GB51249-2017的發(fā)布，鋼結(jié)構(gòu)防火設計越來越受到設計重視,。下文將結(jié)合pkpm程序,，針對鋼結(jié)構(gòu)防火設計的概念與操作流程進行介紹。
? 防火材料
程序允許設置防火材料為膨脹型和非膨脹型,，市面上稱膨脹型為薄型防火材料,，非膨脹型為厚型防火材料。
膨脹型防火涂料的厚度一般在1mm-7mm之間（厚度小于3mm時,，也稱超薄型防火涂料）,。該類防火涂料由合適的水性聚合物為基料，再配以阻燃劑復合體系,、耐火纖維,、防火添加劑混合而成。遇火后自身發(fā)泡膨脹,，形成比原涂料厚度十倍左右的多孔碳質(zhì)層,。多孔碳質(zhì)層可阻擋外部熱源對基材的傳熱。耐火極限可達0.5小時-2小時,。
非膨脹型即厚型防火涂料厚度一般在7mm-50mm范圍,。該類防火涂料基料大都是無機物，成本低廉,，自身就具備良好的隔熱性,，耐火極限可達0.5小時~3小時以上。
BIMBase是PKPM北京構(gòu)力科技有限工作自主研發(fā)的BIM平臺,，集成了裝配式設計,、鋼結(jié)構(gòu)設計、建筑專業(yè),、結(jié)構(gòu)專業(yè),、電氣、給排水,，暖通等模塊,，有著強大的建模能力。
? 規(guī)范方法以及程序?qū)崿F(xiàn)
根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》,，對防火設計提出了三種方法：耐火極限法,、承載力法和臨界溫度法。
目前程序支持的設計方法為臨界溫度法,，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》的要求,，建立力學模型，進行火災中承載力極限狀態(tài)的抗火設計,。
設計流程為：
1. 先計算鋼構(gòu)件在無防火涂料情況下,，在火災持續(xù)時間的鋼構(gòu)件內(nèi)部溫度Ts
計算依據(jù)見《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》6.2.1公式：
2.通過高溫下的材料性能參數(shù)及構(gòu)件外荷載及溫度力的作用,，進行荷載組合并區(qū)分受載構(gòu)件的類型,，分別計算鋼梁,、鋼柱的荷載比。根據(jù)鋼構(gòu)件的受力類型按照軸心受拉,、軸心受壓,、偏心受拉、偏心受壓分別計算構(gòu)件截面的強度荷載比R和穩(wěn)定荷載比R’,，荷載比的計算詳見《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》7.2.1,、7.2.2、7.2.3,、7.2.4,、7.2.5文中不再具體羅列。
以受彎構(gòu)件為例示意說明：
3. 通過《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》7.2查表得到臨界溫度Td,。
同樣以受彎構(gòu)件的臨界溫度表格為例：
結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件和耐火鋼構(gòu)件需要在程序的參數(shù)定義中根據(jù)實際情況去指定,，如下圖所示：
需要注意的是，通過查表我們可以知道荷載比的上限和下限分別為0.9和0.3,，如果驗算得到的構(gòu)件荷載比超出表格的上限,，則程序不再驗算防火涂料的保護層厚度，如下圖所示：
得到臨界溫度Td之后,，程序會先判斷無防火涂料厚度下的鋼構(gòu)件的內(nèi)部溫度Ts是否小于臨界溫度Td,，如果小于臨界溫度Td，則鋼構(gòu)件不需要設置防火涂料,。如果Ts＞Td,，按照考慮防火涂料的情況重新計算鋼構(gòu)件的內(nèi)部溫度Ts。
假定有防火材料,，計算鋼構(gòu)件在火災持續(xù)時間條件下的內(nèi)部溫度Ts,，認定Ts為火災持續(xù)時間下的最高溫度，計算依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》6.2.3公式計算得到：
根據(jù)荷載規(guī)范3.2.6,，撞擊,、爆炸、火災事故的發(fā)生,，均采用偶然組合進行設計,，程序工況組合均采用偶然組合
以下圖鋼柱的構(gòu)件信息為例：
驗算強度的工況組合為3號，查找可知對應的組合是1.0D+0.5L-0.4WX
校核可知其組合內(nèi)力如下：
N=1.0D+0.5L-0.4WX=-1264.21+0.5*（-763.4）-0.4*（-9.97）=-1641.922
Mx=1.0D+0.5L-0.4WX=5.31-0.5（3.43）=7.025
My=1.0D+0.5L-0.4WX=1.05+0.5（0.69）-0.4*（-29.22）=13.083
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》GB512497.2.5-1公式
計算強度應力比如下：
0.85為凈截面面積與毛截面面積的比值,，按照參數(shù)設定只考慮：
4. 計算涂料厚度時候,，可用臨界溫度Td替換鋼構(gòu)件的內(nèi)部溫度Ts，火災持續(xù)時間t用耐火極限替代,，則可得到綜合熱傳遞系數(shù)α,，因綜合熱傳遞系數(shù)
可以得到需要的防火材料厚度di,。查看構(gòu)件信息可以看到防火驗算時候的荷載比，防火涂料的涂料厚度以及防火涂料的等效熱阻,，如下圖所示：
鋼柱結(jié)果：
鋼梁結(jié)果：
需要注意的是,，構(gòu)件信息輸出的Ts為未考慮防火涂料的鋼構(gòu)件在耐火極限下的最高溫度，Td為臨界溫度,，Ri為等效熱阻,，di為非膨脹型防火涂料的保護層厚度，單位是m
目前程序只考慮了非膨脹型防火涂料厚度的計算,。
《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》5.3.2：“膨脹型防火涂料保護層的等效熱阻,，可根據(jù)標準耐火實驗得到的鋼構(gòu)件實測升溫曲線按下式計算：
《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》5.3.3：“膨脹型防火涂料應給出最大使用厚度、最小使用厚度的等效熱阻以及防火涂料使用厚度按最大使用厚度與最小使用厚度之差的1/4遞增的等效熱阻,，其他厚度下的等效熱阻可采用線性插值方法確定”
《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》5.3.2和5.3.3條文說明：“針對膨脹型防火材料的特點,，第5.3.3條規(guī)定膨脹型防火涂料應給出5個使用厚度的等效熱阻”
《鋼結(jié)構(gòu)設計手冊》18.1.3章節(jié)鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施中，也明確提到：“膨脹型防火涂料的保護層厚度必須以實際構(gòu)件的耐火試驗確定”
膨脹型防火涂料的涂料保護層厚度的計算需要基于實測的升溫曲線去計算,，各個廠家的實測曲線并不相同,，所以程序目前無法計算膨脹型防火涂料的厚度。? 總結(jié)
鋼材雖然不會自身燃燒,，但是鋼材耐火性很差,，隨著溫度升高，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度會逐漸下降,，當溫度達到350℃,，其強度大約會降低1/3；溫度達到600℃,，強度大約降低2/3,。這是因為鋼材內(nèi)部在溫度升高時會出現(xiàn)質(zhì)變，導致原有的材料屈服強度,，彈性模量等物理特性下降,。當火災發(fā)生時，鋼結(jié)構(gòu)建筑必然會發(fā)生變形,，一般情況下15分鐘后將會出現(xiàn)坍塌,，所以鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的噴涂就顯得尤為重要，需要在設計階段加強對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火措施的考慮,。
