建筑耐火结构课程设计.doc

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1、 中国矿业大学安全工程学院 _建筑结构耐火课程设计 课程名称 建筑结构与防火设计姓名 陶军 班级 消防09-1班学号 16096034 日期 2012年7月成绩 教师 刘海波建筑结构耐火安全分析与评估结构耐火一般通过对结构构件采取防火保护措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实现。因此，建筑物中主要受力构件的耐火性能应能在合理的基础上保持建筑结构在火灾条件下的安全性和整体稳定性。对建筑构件进行耐火设计时应考虑如下因素：1）建筑物的耐火等级；2）构件的重要性；3）构件的形式及其在建筑中的部位；4）建筑物内的火灾荷载、可能的火灾强度、火灾的危险性；5）防火分区的大小及其分隔方式；6）建筑

2、物内部灭火系统的设置情况及其可靠性和有效性；7）建筑物的重要性；8）消防队是否能及时救援及其救援能力；9）人员安全疏散所需要的时间。正常情况下，建筑室内火灾所产生的高温烟气将会上升到室内顶棚或屋盖下的空间内。对于本工程的钢结构屋盖体系，其中起承重作用的钢桁架及下拉索等钢结构构件会直接与热烟气接触，火灾产生的热量将传给钢构件。如果无外界条件干扰，钢构件的温度将在一定时间内不断升高，结果可能导致构件乃至整个结构的失效。1 钢结构耐火极限状态、耐火设计要求及计算条件火灾条件下，随着钢结构内部温度的升高，钢结构的承载能力将下降，当结构的承载能力下降到与外荷载（包括温度作用）产生的组合效应相等时，则结构

3、达到受火承载力极限状态。当满足以下条件之一时，则认为钢结构构件达到耐火承载力极限状态：1）轴心受力构件的截面屈服；2）受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构；3）构件丧失整体稳定。从火灾发生到结构或结构构件达到耐火承载力极限状态的时间为结构或结构构件的耐火极限。对于钢结构，无论是构件层次还是整体结构层次的耐火设计，均应满足下列要求：（1）在规定的结构耐火极限的时间内，结构的承载力Rd应不小于各种作用所产生的组合效应Sm，即RdSm；（2）在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td应不小于规定的结构耐火极限tm，即tdtm；（3）火灾下，当结构内部温度均匀时，若取结构达到承载力极限状态时的内部温度

4、为临界温度Td，则应不小于在耐火极限时间内结构的最高温度Tm，即TdTm。上述三个要求实际上是等效的，进行结构耐火设计时，满足其一即可。目前，国家规范建筑设计防火规范（GBJ16-87）和高层民用建筑设计防火规范（GB50045-95，2001版）对钢结构屋盖中钢结构构件尚无明确的防火保护层厚度的具体规定。而我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程（CECS 200:2006）在考虑钢结构构件最不利内力组合的基础上，可以进行该类构件的耐火计算和验算。为了保证火灾时屋盖体系的耐火安全，同时充分利用建筑钢结构中的新技术、新材料，选择后者作为本工程钢结构屋盖体系耐火设计的依据。北京国际会展中心设计单位

5、提供的屋盖体系钢结构构件，包括桅杆、撑杆、索、桁架弦杆和腹杆等的耐火设计计算条件如下： 1）所有杆件耐火极限都要求达到2h；2）索材质为预应力钢丝，桅杆材质为Q345C，其余构件的材质均为Q345B；3）本工程的最不利荷载为：屋面恒荷载：屋面荷载0.4kN/m2，吊顶管线0.1kN/m2，下弦的吊挂荷载1.0kN/m2；屋面活荷载：展厅上空0.7kN/m2；风荷载：W1=0.4/1.410=2.85kN/m2；W2=-1.4/1.410=-10kN/m2；雪荷载：基本雪压为0.40kN/m2（50年一遇）；4）本工程使用的厚涂型钢结构防火涂料性能应符合国家有关标准CECS24: 90，1990

6、钢结构防火涂料应用技术规范和GB14907-2002，2002钢结构防火涂料，涂料性能指标要求见表1。表1 厚涂型钢结构防火涂料性能指标要求项 目指 标粘结强度（MPa）0.04抗压强度（MPa）0.3干密度（kg/m3）500热导率W/（m.K）0.1160 0.1kcal/（m.h.）耐水性 （h）24耐冻融循环性（次）15耐火极限涂层厚度(mm)1520304050耐火时间不低于（h）1.01.52.02.53.0需要计算的钢结构构件的截面规格及其在最不利荷载组合条件下构件达到的最大应力比等条件见表2。表6.2 钢结构构件表钢构件编号位置类型规格（mm）钢材种类最不利荷载组合时构件最大应

7、力比C4H下拉索钢缆109预应力钢丝0.343012C1A上拉索钢缆118预应力钢丝0.24993ST1撑杆1钢管18273Q345B0.445229M2A撑杆2钢管36950Q345B0.293073WG桅杆压杆钢管362000Q345C0.512012RPT2FF腹杆工字钢H200250814Q345B0.956623RPT3FX主桁架弦杆工字钢H4002001016Q345B0.948998RST2ASH次桁架弦杆工字钢H400200814Q345B0.946771RBR12T上弦支撑工字钢H4004501830Q345B0.954629对本工程的钢结构屋盖进行了防火保护层厚度的设计计算

8、方案：根据设计单位提供的本工程最不利荷载作用，按照国家规范建筑结构荷载规范（GB50009-2001）进行承载力极限状态下荷载效应组合，即；然后按照我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程(CECS 200:2006)进行火灾下荷载效应组合，即，暂不考虑温度内力。依据该规程的第5.2.3条，在内力组合中不考虑温度内力的情况下，应将计算所得的保护层厚度增加30%作为构件的保护层设计厚度。针对本工程最不利荷载的情况，可计算出两部规范（程）荷载效应组合比值的最大值为0.593。用0.593乘以最不利荷载下的最大应力比作为火灾下的最大应力比，同时根据我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程(CECS 20

9、0:2006)，将材料强度的设计值乘以钢材耐火设计强度调整系数gR (一般可取gR =1.1)，据此进行防火保护层厚度的设计计算。2 计算过程和步骤2.1 截面特性计算构件截面形式有如下三种：圆实心截面，圆管截面和H形截面。参考李国强、蒋首超、林桂祥著钢结构抗火计算与设计(2006），三种截面的构件截面形状系数Fi/V的计算公式如下，计算结果如表3所示。1) 圆实心截面（李国强、蒋首超、林桂祥著钢结构抗火计算与设计2006）2) 圆管截面（李国强、蒋首超、林桂祥著钢结构抗火计算与设计2006）3) H形截面（李国强、蒋首超、林桂祥著钢结构抗火计算与设计2006）表3 截面特性计算结果钢构件编号

10、位置规格（mm）Fi/V(1/m)C4H下拉索10936.7C1A上拉索11833.9ST1撑杆11827359.5M2A撑杆23695028.9WG桅杆压杆36200028.3RPT2FF腹杆H200250814165.2RPT3FX主桁架弦杆H4002001016156.7RST2ASH次桁架弦杆H400200814184.7RBR12T上弦支撑H400450183077.42.2 保护层厚度计算计算时用到的钢材和厚涂型钢结构防火涂料的材料特性如下：钢材：密度：rs =7850kg/m3比热：cs=600J/(kg.K)导热系数：ls =45.0W/(m.K)。防火涂料：密度：ri =40

11、0kg/m3比热：ci=1047J/(kg.K)导热系数：li =0.116W/(m.K)。方案：当采用按我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程（CECS 200:2006）进行荷载效应组合获得的最不利应力比时，各构件所需防火保护层厚度计算过程如下：计算过程：（以下拉索F109为例）一、轻质保护层：1）计算耐火极限为2h时构件温度（构件温度的计算采用我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程（CECS 200:2006）公式6.3.1、公式6.3.3：初步选定保护层厚度为di =5mm保护层为轻质保护层 =698由于Ts600超出适用范围，因此di=5mm不满足要求，增大di为7mm，计算得：B=

12、544，Ts=595.二分法取di=6，得B=709.53 Ts=609 不满足要求； 取di=6.5 B=654.95 Ts=574 满足要求但温度不够接近600 ；取di=6.3 B=675.75 Ts=588 ，满足要求 钢的高温材性：300Ts800时，高温下钢材强度折减系数：3）保护层厚度的确定该构件应力比，其中，为火灾下构件最大应力，为钢材强度设计值。由我国工程建设规范建筑钢结构防火技术规程公式7.2.1、公式7.2.2-1可知： 应力比，其中，为高温下钢材强度折减系数，为钢材抗火设计强度调整系数，取1.1。因此，di =6.3mm满足要求。考虑温度应力的影响，依据我国工程建设规范

13、建筑钢结构防火技术规程（CECS 200:2006）第5.2.6条规定，应将保护层厚度加大30%，此时di =8.2mm。二、非轻质保护层：经初步计算得该保护层为非轻质保护层，不能再用上面的方法直接计算，因此必须进行处理。过程如下：对截面形状系数进行修正，修正后的截面形状系数为：把数据带入以上公式，得到=0.509，（以下其他构件计算过程相同，就不在重复叙述）3 程序计算：程序使用说明:1、选择钢构件的类型，根据不同类型的钢构件计算出截面形状系数。2、选择钢构件的位置，不同的位置数据参数（高，厚，宽等）程序已定义。保护层厚度程序随机产生，知道计算结果Ts足够接近600 为止。1、下拉索（规格：

14、F109）：2、上拉索（规格：F118）：3、撑杆1（规格：F18273）：4、撑杆2（规格：F36950）：5、桅杆压杆（规格：F362000）：6、腹杆（规格：H200250814）:7、主桁架弦杆（规格：H4002001016）:8、次桁架弦杆（规格：H400200814）:9、上弦支撑（规格：H4004501830）: 3 计算结果汇总各个构件的计算结果汇总表钢构件编号位置规格（mm）Fi/V(1/m)构件温度（）保护层厚度（mm）C4H下拉索10936.75958.1C1A上拉索11833.95907.5ST1撑杆11827359.559713.0M2A撑杆23695028.9585

15、6.5WG桅杆压杆36200028.35936.2RPT2FF腹杆H200250814165.257338RPT3FX主桁架弦杆H4002001016156.757436.1RST2ASH次桁架弦杆H400200814184.757642.4RBR12T上弦支撑H400450183077.457217.9参考文献1 李国强、蒋首超、韩林海、楼国彪著,钢结构抗火计算与设计,中国建筑工业出版社，20062 建筑钢结构防火技术规范（CECS 200:2006），2006附录：VB程序代码Private Sub Command1_Click()Dim a, b, c, d, e, g, fv As S

16、ingle, ar As Doublea = Val(Text1.Text)b = Val(Text2.Text)c = Val(Text3.Text)d = Val(Text4.Text)e = Val(Text5.Text)g = Val(Text6.Text)If Option1.Value = True Then fv = 4 / a * 1000ElseIf Option2.Value = True Thenfv = (a / (b * (a - b) * 1000ElseIf Option3.Value = True Thenar = 2 * c * g + e * (d - 2

17、* g) fv = (2 * d + 4 * c - 2 * e) / ar) * 1000 End IfText7.Text = Round(fv, 1)End SubPrivate Sub Command2_Click()Text1.Text = Text2.Text = Text3.Text = Text4.Text = Text5.Text = Text6.Text = Text7.Text = End SubPrivate Sub Command3_Click()Unload MeEnd SubPrivate Sub Command4_Click()Dim fv, di, db, t

18、s, x, y As Singlefv = Val(Text7.Text)Dore: di = di + 0.0002db = 0.116 * fv / didb = Format(db, #.00)ts = (Sqr(0.044 + 0.00005 * db) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20Loop Until ts 600Text9.Text = Str(Format(1000 * di), #.0)y = 0.116 * fv / (Val(Text9.Text) / 1000)x = (Sqr(0.044 + 0.00005 * y) - 0.2) * 2 * 60

19、 * 60 + 20Text10.Text = Round(x, 0)Text17.Text = Round(y, 2)Const i As Single = 400, c As Single = 1047, j As Single = 7850, s As Single = 600Dim n As Singlen = (i * c * (Val(Text10.Text) / 1000) / (s * j) If n 0.5 Then Text11.Text = 是 Else Text11.Text = 否 End If If Option4.Value = True Then Text12.

20、Text = 0.343012,#.# ElseIf Option5.Value = True Then Text12.Text = 0.24993,#.# ElseIf Option6.Value = True Then Text12.Text = 0.445229,#.# ElseIf Option7.Value = True Then Text12.Text = 0.293073,#.# ElseIf Option8.Value = True Then Text12.Text = 0.512012,#.# ElseIf Option9.Value = True Then Text12.T

21、ext = 0.956623,#.# ElseIf Option10.Value = True Then Text12.Text = 0.948998,#.# ElseIf Option11.Value = True Then Text12.Text = 0.946771,#.# ElseIf Option12.Value = True Then Text12.Text = 0.954629,#.# End If Dim z As Single, t As Singlez = Val(Text12.Text)t = z * 0.593Text13.Text = Format(t, 0.0000

22、)Dim m, f, d, tz, dz As Singled = Val(Text9.Text)f = Val(Text7.Text)dz = 0.116 * f / (d / 1000)tz = (Sqr(0.044 + 0.00005 * dz) - 0.2) * 2 * 60 * 60 + 20m = 1.24 * 0.00000001 * (tz) 3 - 2.096 * 0.00001 * (tz) 2 + 9.228 * 0.001 * tz - 0.2168Text14.Text = Format(m, 0.0000)If Val(Text13.Text) 1.1 * m Th

23、enText15.Text = 是Text16.Text = Format(Val(Text9.Text) + Val(Text9.Text) * 0.3, 0.0)ElseText15.Text = 否Text16.Text = GoTo reEnd IfEnd SubPrivate Sub Command5_Click()Text9.Text = Text10.Text = Text11.Text = Text12.Text = Text13.Text = Text14.Text = Text15.Text = Text16.Text = Text17.Text = End SubPriv

24、ate Sub Form_Load()Label1.Left = 3000Text1.Left = 4200End SubPrivate Sub Option1_Click()Label1.Visible = TrueLabel2.Visible = FalseLabel3.Visible = FalseLabel4.Visible = FalseLabel5.Visible = FalseLabel6.Visible = FalseText1.Visible = TrueText2.Visible = FalseText3.Visible = FalseText4.Visible = Fal

25、seText5.Visible = FalseText6.Visible = FalseOption4.Visible = TrueOption5.Visible = TrueOption6.Visible = FalseOption7.Visible = FalseOption8.Visible = FalseOption9.Visible = FalseOption10.Visible = FalseOption11.Visible = FalseOption12.Visible = FalseLabel1.Left = 3000Text1.Left = 4200Text1.Text =

26、End SubPrivate Sub Option2_Click()Label1.Visible = TrueLabel2.Visible = TrueLabel3.Visible = FalseLabel4.Visible = FalseLabel5.Visible = FalseLabel6.Visible = FalseText1.Visible = TrueText2.Visible = TrueText3.Visible = FalseText4.Visible = FalseText5.Visible = FalseText6.Visible = FalseOption4.Visi

27、ble = FalseOption5.Visible = FalseOption6.Visible = TrueOption7.Visible = TrueOption8.Visible = TrueOption9.Visible = FalseOption10.Visible = FalseOption11.Visible = FalseOption12.Visible = FalseLabel1.Left = 1800Text1.Left = 3000Text1.Text = End SubPrivate Sub Option3_Click()Label1.Visible = FalseL

28、abel2.Visible = FalseLabel3.Visible = TrueLabel4.Visible = TrueLabel5.Visible = TrueLabel6.Visible = TrueText1.Visible = FalseText2.Visible = FalseText3.Visible = TrueText4.Visible = TrueText5.Visible = TrueText6.Visible = TrueOption4.Visible = FalseOption5.Visible = FalseOption6.Visible = FalseOption7.Visible = FalseOption8.Visible = FalseOption9.Visible = TrueOption10.Visible = TrueOption11.Visible = TrueOption12.Visible = TrueEnd Sub