1、关于钢混组合结构的抗火设计的几点思考摘 要：综合国内外有关钢结构和钢混凝土组合结构抗火研究的部分试验结果和理论研究成果，总结了钢结构和钢混凝土组合结构抗火设计的方法，并与普通的钢结构抗火设计进行比较，提出了一些钢结构和钢混凝土组合结构抗火设计的建议。 关键词：组合结构；抗火设计 中图分类号： TU398 文献标识码：A 文章编号： 前言 近年来，由于钢结构和钢混凝土组合结构具有轻质、高强、施工便利等优越性能，得到越来越广泛的应用。钢结构和钢混凝土组合结构通常具有裸露的受力钢构件，因而钢混凝土结构也和钢结构一样，抗火设计是结构设计中的一个非常重要的环节。 钢混凝土组合结构由钢混凝土组合构件组成。
2、钢混凝土组合构件是指由钢和混凝土两种不同材料组成一个整体而共同工作的构件。主要包括压型钢板混凝土组合楼板、钢混凝土组合梁、钢骨混凝土结构、钢管混凝土结构、外包钢混凝土结构等。钢混凝土组合结构的抗火设计主要是对其中裸露的钢构件进行抗火设计，它与钢结构的抗火设计有相同之处，又有所区别。 1、钢混凝土组合结构的抗火设计方法 1.1 抗火设计的基本要求 组合结构抗火设计的基本要求是使组合结构的钢构件耐火时间不能低于一定的数值，即在小于该数值的时间范围内结构不被破坏，使其抗火性能满足建筑对构件耐火极限的要求，具体应满足下列三种条件之一。1.1.1 在规定的耐火时间内，结构构件的承载力 R 不应小于各种作
3、用所产生的组合效应 S，即 RS； 1.1.2 在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间 t 不应小于规定的结构耐火时间t ，即 tt 。 1.1.3 在火灾状况下，结构达到承载力极限状态时的内部临界温度 T不应小于在规定的耐火时间内结构的最高温度T ，即 TT 。 1.2 抗火设计的方法 钢构件抗火设计的传统方法是采用耐火试验法。其方法是首先确定建筑物的耐火等级，然后根据耐火等级确定受力构件的耐火极限，再确定受力构件的防火保护措施和防火构造方法，通过标准耐火试验核准其耐火极限值，使结构构件满足抗火要求。 1.2.1 耐火极限的确定方法 在进行抗火设计时，首先应确定建筑物的耐火等级，进而确定结构构
4、件的耐火极限要求。一般建筑物的耐火等级可按规范的相关规定确定。在确定结构构件的耐火极限要求时，应考虑下列因素（3）：（1）建筑物的耐火等级越高，结构构件的耐火极限要求也越高；（2）越重要的构件，耐火极限要求应越高，一般情况下，建筑结构的竖向受力构件（如：柱等）的重要性比梁重要，而梁又比楼板重要；（3）如在高层建筑中，建筑下部的构件比建筑上部的构件更重要。 1.2.2 组合结构的一般抗火措施 钢结构构件进行抗火设计时，通常是采取措施提高钢结构件的抗火性能，然后用标准耐火试验核准其耐火极限值，使钢构件达到规定的耐火极限要求。常用的提高钢构件抗火性能的措施有：（1）防火涂料法。将具有一定厚度的防火涂
5、料直接喷涂在钢结构构件上。防火涂料主要有两类：涂层厚度 850，料状表面，密度较小，耐火极限 1h3h 的为厚涂型防火隔热材料；涂层厚度 37，遇火膨胀增厚，耐火极限0.15h2h 的为薄涂型防火隔热材料。喷涂法造价较低，操作简便，施工速度快，不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性，但是构件表面不平整，影响美观。 （2）屏蔽法。将防火材料或防火砖设置于构件的外围，将构件与火焰隔离。常见做法是在钢构件的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。如：在钢梁下做防火吊顶，以及在钢外柱的内侧设置一定宽度的防火板等等。这种方法美观，无污染，但施工速度较慢，适用于外露的构件。 （3）实心包裹法。将钢
6、构件浇注到混凝土中。 （4）膨胀覆盖法。将具有一定厚度的膨胀漆喷涂、抹、刷在经过处理的构件表面。抗火极限最高可达 2h。覆盖法施工容易，但不适用于潮湿的环境，仅适用于干燥的室内。 （5）采用耐火轻质板材作为防火外包层。例如：采用纤维增强水泥板、石膏板、硅酸钙板、蛭石板将钢构件包覆起来。用于钢柱防火具有占用空间少、综合造价低的优点。 （6）其他方法。根据结构的特点采用因地制宜的方法。 对于钢混凝土组合结构，根据其裸露钢构件的不同特点，可采用不同的方法进行抗火防护。 （1）钢管混凝土结构：可采用防火涂料法、屏蔽法、包裹法等对裸露的钢管进行防护；（2）钢混凝土组合梁：可采用防火涂料法、做防火吊顶进行
7、单面屏蔽等方法对钢梁进行抗火防护；（3）钢骨混凝土结构 4）：由于钢骨包含于混凝土内部，因此可按钢筋混凝土结构的要求进行抗火设计；（4）压型钢板混凝土组合板（5）：和钢混凝土组合梁一样，可采用防火涂料法、防火吊顶单面屏蔽法等等抗火防护方法；（5）外包钢混凝土结构：外包钢构件的裸露面积较小，因此通常采用防火涂料法和膨胀漆覆盖法或包裹法进行防护。 2、耐火性能的比较 研究结果表明，在相同的条件下，钢混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的耐火性能并得到试验的验证。下面以钢管混凝土柱和压型钢板混凝土组合楼板为例，将钢混凝土组合结构的耐火性能与普通钢结构的耐火性能进行比较。 2.1 钢管混凝土柱与普通钢柱
8、的比较 试验研究结果表明，设计荷载作用下的钢管混凝土柱在遭受火灾时比普通钢柱具有更好的耐火性能（6-8） 。文献（9，10）在此基础上，提出圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱耐火极限的理论计算模型，文献（11）对模型计算结果进行了验证。 结果显示：1）在相同耐火极限要求的条件下，圆钢管混凝土柱的防火保护层厚度随构件直径的增大和长细比的减小呈降低的趋势。对于长细比较大（100）且截面直径较小（500mm）的情况，当要求耐火极限小于 2h 时，钢管混凝土柱的防火保护层厚度和高层民用建筑设计防火规范 （GB50045-2005）中对钢结构柱规定的保护层厚度接近。对于其它情况，相同耐火极限条件下，圆钢管混
9、凝土柱所需的防火保护层厚度则远小于普通钢结构住的防火保护层厚度。 2）在相同耐火极限要求的条件下，方钢管混凝土柱的保护层厚度随构件截面尺寸的增大和长细比的减小呈降低的趋势。同样，相同耐火极限条件下，方钢管混凝土柱所需的防火保护层厚度也远小于相对应的钢结构柱的防火保护层厚度。 2.2 组合楼板与钢结构楼板的比较 经过分析研究，并与试验结果进行比较，对压型钢板混凝土组合楼板的耐火性能，有以下结论（12）： 2.2.1 压型钢板-混凝土组合楼板的耐火性能优于钢结构； 2.2.2 随着楼板混凝土厚度的增加、混凝土强度的提高，耐火极限提高。 2.2.3 随着楼板含钢率的增加，耐火极限降低。 2.3 组合
10、结构耐火性能较优的原因 钢混凝土组合结构耐火性能一般优于普通钢结构，其原因有几方面： 2.3.1 混凝土对钢构件的保护作用。由于钢混凝土组合结构是钢和混凝土组合在一起共同作用的，因而其裸露钢构件的面积通常比相对应的钢结构少，从而使钢构件受火面积减小，提高抗火性能； 2.3.2 由于混凝土的吸热作用，使钢构件在火灾时升温较慢，相应提高耐火性能； 2.3.3 由于混凝土对钢构件的支撑作用，使得高温下屈服强度降低的刚度不至于迅速降低，钢构件不至于很快破坏。 3、结论与建议 抗火设计是钢混凝土组合结构设计中不可缺少的一部分，必须因地制宜地选择合适的防火材料和采取有效的抗火防护措施，防止火灾时组合结构中
11、裸露的受力钢构件遭受破坏，从而保证整体结构的安全。 3.1 结论 通过对钢混凝土组合结构抗火设计方法的探讨及其与普通钢结构抗火设计方法的比较，可以得出以下结论： 3.1.1 钢混凝土组合结构的抗火设计属于钢结构抗火设计的范畴，其抗火设计的方法以钢结构抗火设计方法为依据和参考，但是钢混凝土组合结构的耐火性能优于普通钢结构； 3.1.2 钢混凝土组合结构的抗火防护措施应根据其裸露钢构件的特点因地制宜确定，常用的抗火防护措施有防火涂料法、屏蔽法和包裹防护法等； 3.1.3 单纯采用耐火试验法进行钢混凝土组合结构的抗火设计，由于无法准确模拟不同构件截面、不同约束条件、不同升温温度等各种情况，导致抗火设
12、计时趋于保守，并需要较高的试验费用。 3.2 建议 根据钢混凝土组合结构抗火设计的现状及其特点，本人提出钢混凝土组合结构抗火设计的几点建议： 3.2.1 钢混凝土组合结构在进行抗火设计时，应充分考虑构件的特点，确定不同的耐火极限； 3.2.2 应重视采用数值模拟分析与耐火试验法相结合的设计方法，以克服单纯采用耐火试验法的缺点； 3.2.3 根据钢混凝土组合结构的耐火性能优于钢结构的特点，应充分发挥其优势。如：增大混凝土部分的截面尺寸，降低组合柱的长细比，等等； 3.2.4 采用优质耐火钢材，提高构件的抗火性能。 参考文献： 1张树平，于安林。钢结构设计防火保护对策。西安建筑科技大学学报，1998（3） ； 2李勇。对高层钢结构防火体系两个影响的分析。西部探矿工程，2004（6） ； 3李国强。多高层建筑钢结构设计。北京：中国建筑工业出版社，2004； 4贺军利。钢管混凝土柱耐火性能研究。哈尔滨：哈尔滨建筑大学，1998； 5韩林海，徐蕾。带保护层方钢管混凝土柱耐火极限的试验研究。土木工程学报，2000，33（6） ；
