建筑钢结构防火技术规范.docx

建筑钢结构防火技术规范 Code for Fire safety of Steel Building Structures 1 1 总 则 1.0.1 为防止和减小建筑钢结构的火灾危害，保护人身和财产安全，经济、合理地进行钢 结构抗火设计和采取防火保护措施，制定本规范。 1.0.2 本规范适用于新建、扩建和改建的建筑钢结构和组合结构的抗火设计和防火保护。 1.0.3 本规范是以火灾高温下钢结构的承载力极限状态为基础，根据概率极限状态设计法 的原则制定的。 1.0.4 建筑钢结构的抗火设计与防火保护，除应符合本规范的规定外，尚应符合我国现行 有关标准的规定。 2 2 术语和符号 2.1 术 语 2.1.1 火灾荷载密度 fire load density 单位楼面面积上可燃物的燃烧热值，单位为 MJ/m 2。 2.1.2 标准火灾升温standard fire temperature-time curve 国际标准 ISO834 给出的用于进行建筑构件耐火试验的炉内平均温度与时间的关系曲线。 2.1.3 等效曝火时间equivalent time of fire exposure 在非标准火灾升温条件下，火灾在时间 t 内对构件或结构的作用效应与标准火灾在时间t e 内对同一构件或结构（外荷载相同）的作用效应相同，则时间 te 称为前者的等效曝火时间。 2.1.4 抗火承载力极限状态limit state for fire resistance 在火灾条件下，构件或结构的承载力与外加作用（包括荷载和温度作用）产生的组合效 应相等时的状态。 2.1.5 临界温度 critical temperature 假设火灾效应沿构件的长度和截面均匀分布，当构件达到抗火承载力极限状态时构件截 面上的温度。 2.1.6 荷载比 load level, load ratio 火灾下构件的承载力与常温下相应的承载力的比值。 2.1.7 钢管混凝土构件 concrete-filled steel tube 在圆形或矩形钢管内填灌混凝土而形成，且钢管和混凝土在受荷全工程中共同受力的构 件。 2.1.8 组合构件 composite component 截面上由型钢与混凝土两种材料组合而成的构件。例如，钢管混凝土柱、钢－混凝土组 合板和钢－混凝土组合梁等。 2.1.9 屋顶承重构件load bearing roof component 用于承受屋面荷载的主要结构构件。例如，组成屋顶网架、网壳、桁架的构件和屋面梁、 支撑等。屋面檩条一般不当作屋盖承重构件，但当檩条同时起屋盖结构系统的支撑作用时， 则应当作屋盖承重构件。 2.1.10 自动喷水灭火系统全保护total sprinkler system 建筑物内除面积小于 5m2 的卫生间外，均设有自动喷水灭火系统的保护。 3 2.2 符 号 A —— 构件的毛截面面积； Af —— 一个翼缘的截面面积； Aw —— 梁腹板的截面面积； B —— 构件单位长度综合传热系数； Bn —— 与梁端部约束情况有关的常数； cs —— 钢材的比热容； ci —— 防火保护层的比热容； d i —— 保护层的厚度； E —— 常温下钢材的弹性模量； ET —— 高温下钢材的弹性模量； f —— 常温下钢材的设计强度； f y —— 常温下钢材的屈服强度； f yT —— 高温下钢材的屈服强度； f c —— 常温下混凝土的抗压强度； f cT —— 高温下混凝土的抗压强度； F —— 单位长度构件的受火表面积； Fi —— 单位长度构件保护层的内表面积； h —— 构件的截面高度或楼板厚度； hw —— 梁腹板的高度； hd —— 压型钢板截面高度； I —— 构件截面惯性矩； kr —— 火灾下钢管混凝土柱承载力影响系数； l —— 构件的长度、跨度； l0 —— 构件的计算长度； M fi —— 受火构件按等效作用力分析得到的杆端弯矩； M p —— 塑性弯矩； M T —— 受火构件的杆端温度弯矩； M x 、 M y —— 构件的最大弯矩设计值； N —— 构件的轴力设计值； N EXT' 、 N EXT' —— 高温下构件的承载力参数； Nf —— 受火构件按等效作用力分析得到的轴力； N T —— 受火构件的轴向温度内力； P —— 保护层中的含水率（质量百分比） ； q —— 梁（板）所受的均布荷载或等效均布荷载； 4 q r —— 考虑薄膜效应后楼板的极限承载力； Qki —— 楼面或屋面活荷载的标准值； R 、 R 、 Rx 、 Ry —— 荷载比； Rd —— 高温下结构或构件的设计承载力； S —— 结构或构件的荷载效应组合； Sm —— 高温下结构或构件内的作用效应组合； t —— 受火时间或耐火时间； t ' —— 构件温度达到 100℃所需的时间； td —— 结构或构件的耐火时间； te —— 等效曝火时间； t m —— 结构或构件的耐火极限； t v —— 延迟时间； t w —— 梁腹板的厚度； T0 —— 受火前钢构件的内部温度； T1 、 T2 —— 受火构件两侧或上、下翼缘的温度； Td —— 结构或构件的临界温度； Tg —— 实际的室内火灾升温； Tg (0) —— 火灾发生前的室内平均空气温度； Tg —— 对应 t 时刻的室内平均空气温度； Ts —— 钢构件温度； Tm —— 在耐火极限时间内结构或构件的最高温度； V —— 单位长度构件的体积； Wp —— 构件的截面塑性模量； Wx 、 Wy —— 构件绕 x 轴和绕 y 轴的毛截面模量； s —— 钢材的热膨胀系数； m 、t —— 等效弯矩系数； 0 —— 结构抗火重要性系数； R —— 钢构件的抗力分项系数，抗火设计中钢材强度调整系数； x 、 y —— 截面塑性发展系数； T —— 高温下钢材弹性模量折减系数； T —— 高温下钢材强度折减系数； s —— 钢材的泊松比； —— 构件的长细比； i —— 保护材料的热传导系数； s —— 钢材的热传导系数； i —— 保护层的密度； 5 s —— 钢材的密度； c —— 对流传热系数； r —— 辐射传热系数； —— 常温下轴心受压构件的稳定系数； b —— 常温下钢梁的整体稳定系数； bT' —— 高温下钢梁的整体稳定系数； t —— 时间增量； T —— 构件或结构的温度变化； 6 3 钢结构防火要求 3.0.1单、多层建筑和高层建筑中的各类钢构件、组合构件等的耐火极限不应低于表 3.0.1 和本章的相关规定。当低于规定的要求时，应采取外包覆不燃烧体或其他防火隔热的措施。 表 3.0.1 单、多层和高层建筑构件的耐火极限 耐火等级 单、多层建筑 高层建筑 耐火极限 (h) 构件名称 一级 二级 三级 四级 一级 二级 承重墙 3.00 2.50 2.00 0.50 2.00 2.00 柱、柱间支撑 3.00 2.50 2.00 0.50 3.00 2.50 梁、桁架 2.00 1.50 1.00 0.50 2.00 1.50 厂、库房 民用 厂、库房 民用 楼板、楼面支撑 1.50 1.00 0.75 0.50 0.50不要求 屋顶承重构件、 厂、库房 民用 1.50 0.50 不要求 1.50 1.00 屋面支撑、系杆 0.50 不要求 厂、库房 民用 疏散楼梯 1.50 1.00 不要求 0.75 0.50 注：对造纸车间， 变压器装配车间、 大型机械装配车间、 卷烟生产车间、 印刷车间等及类似的车间，当建筑耐火等级较高时，吊车梁体系的耐火极限不应低于表中梁的耐火极限要求。 3.0.2 钢结构公共建筑和用于丙类和丙类以上生产、仓储的钢结构建筑中，宜设置自动喷 水灭火系统全保护。 3.0.3 当单层丙类厂房中设有自动喷水灭火系统全保护时，各类构件可不再采取防火保护 措施。 3.0.4 丁、戊类厂、库房（使用甲、乙、丙类液体或可燃气体的部位除外）中的构件，可 不采取防火保护措施。 3.0.5 当单、多层一般公共建筑和居住建筑中设有自动喷水灭火系统全保护时，各类构件 的耐火极限可按表 3.0.1 中相应的规定降低 0.5h。 3.0.6 单、多层一般公共建筑和甲、乙、丙类厂、库房的屋盖承重构件，当设有自动喷水 灭火系统全保护，且屋盖承重构件离地（楼）面的高度不小于 6m 时，该屋盖承重构件可不采 取其他防火保护措施。 3.0.7 除甲、乙、丙类库房外的厂、库房，建筑中设有自动喷水灭火系统全保护时，其柱、梁的耐火极限可按表 3.0.1 的相应的规定降低 0.5h。 3.0.8 当空心承重钢构件中灌注防冻、防腐并能循环的溶液，且建筑中设有自动喷水灭火 7 系统全保护时，其承重结构可不再采取其它防火保护措施。 3.0.9 当多、高层建筑中设有自动喷水灭火系统全保护（包括封闭楼梯间、防烟楼梯间） ， 且高层建筑的防烟楼梯间及其前室设有正压送风系统时，楼梯间中的钢结构可不采取其它防 火保护措施；当多层建筑中的敞开楼梯、敞开楼梯间采用钢结构时，应采取有效的防火保护 措施。 3.0.10 对于多功能、大跨度、大空间的建筑，可采用有科学依据的性能化设计方法，模拟 实际火灾升温，分析结构的抗火性能，采取合理、有效的防火保护措施，保证结构的抗火安全。 8 4 材料特性 4.1 钢 材 4.1.1 在高温下，钢材的有关物理参数应按表 4.1.1 采用。 表 4.1.1 高温下钢材的物理参数 参数名称 符 号 数 值 单 位 热膨胀系数 s 1.4 ×10-5 m/(m·℃ ) 热传导系数 s 45 W/(m·℃ ) 比热容 cs 600 J/(kg ℃·) 密 度 s 7850 kg/m 3 泊桑比 s 0.3 － 4.1.2 在高温下，普通钢材的弹性模量应按下式计算： ET T E (4.1.2-1) 7Ts 4780 20 C Ts 600 C 6Ts 4760 T 1000 Ts 600 C Ts 1000 C 6Ts 2800 (4.1.2-2) 式中 Ts —— 温度（℃）； ET —— 温度为 Ts 时钢材的初始弹性模量（ N/mm 2）； E —— 常温下钢材的弹性模量（ N/mm 2），按现行《钢结构设计规范》 （ GB 50017 ） 确定； T —— 高温下钢材的弹性模量折减系数。 4.1.3 在高温下，普通钢材的屈服强度应按下式计算： f yT T f y (4.1.3-1) f y R f (4.1.3-2) 9 1.0 20 C Ts 300 C 1.24 10 8 T 3 2.096 10 5 T 2 s s (4.1.3-3) T 3 Ts 9.228 10 0.2168 300 C Ts 800 C 0.5 Ts / 2000 800 C Ts 1000 C 式中 fyT —— 温度为 Ts 时钢材的屈服强度（ N/mm 2）； f y —— 常温下钢材的屈服强度（ N/mm 2）； f —— 常温下钢材的强度设计值 （ N/mm 2），按现行《钢结构设计规范》 （ GB 50017 ）确定； R —— 钢构件抗力分项系数，近似取 R 1.1； T —— 高温下钢材强度折减系数。 4.1.4在高温下，耐火钢的弹性模量和屈服强度可分别按式 (4.1.2-1) 和式 (4.1.3-1) 确定。其 中，弹性模量折减系数T 和屈服强度折减系数 T 应分别按式（ 4.1.5-1）和（ 4.1.5-2）确定。 1 Ts 20 20 C Ts 650 C 2520 T 0.75 7(Ts 650) 650 C Ts 900 C (4.1.5-1) 2500 0.5 - 0.0005Ts 900 C Ts 1000 C 6(Ts 768) 20 C Ts 700 C 5(Ts 918) T 1000 Ts 700 C Ts 1000 C 8(Ts 600) (4.1.5-2) 4.2 混凝土 4.2.1 在高温下，普通混凝土的有关物理参数按下列规定采用： 1 热传导系数 1) 硅质骨料混凝土： T T 2 20℃ T 1200℃ c 2 0.240.012 120 120 (4.2.1-1) 式中 c —— 温度为 T 时混凝土的热传导系数 [W/(m ·℃)] ； T—— 混凝土的温度（℃）。 2) 钙质骨料混凝土： 10 T 2 c 1.6 0.16 T (4.2.1-2) 0.008 20℃ T 1200℃ 120 120 2 比热容： cc 900 80 T T 2 4 20℃ T 1200℃ 120 120 (4.2.1-3) 式中 cc —— 温度为 T 时混凝土的比热容 [J/(kg ℃·)] 。 4.2.2 在高温下，普通混凝土的初始弹性模量应按下式计算： EcT ( 0.83 0.0011T ) Ec eneryg 60℃ T 700℃ (4.2.2) 式中 EcT —— 温度为 T 时混凝土的初始弹性模量（ N/mm 2）； E c —— 常温下混凝土的初始弹性模量 （N/mm 2），按现行《混凝土结构设计规范》 （ GB 50010）确定。 4.2.3 在高温下，混凝土的抗压强度应按下式计算： f cT cT f c (4.2.3) 式中 fcT—— 高温下混凝土的抗压强度； fc—— 常温下混凝土的抗压强度，按现行《混凝土结构设计规范》 （GB 50010）确 定； cT —— 普通混凝土的抗压强度折减系数，按表 4.2.3 确定。 表 4.2.3 高温下混凝土强度折减系数 cT T（℃） 普通混凝土 轻骨料混凝土 20 1.00 1.00 100 0.95 1.00 200 0.90 1.00 300 0.85 1.00 400 0.75 0.88 500 0.60 0.76 600 0.45 0.64 700 0.30 0.52 800 0.15 0.40 900 0.08 0.28 1000 0.04 0.16 1100 0.01 0.04 1200 0 0 11 4.2.4 其他类型混凝土在高温下的材料特性，应根据有关标准通过高温材性试验确定。 4.3 防火涂料 4.3.1 当钢结构采用防火涂料保护时，可采用膨胀型或非膨胀型防火涂料。 4.3.2钢结构防火涂料的技术性能除应符合现行国家标准《钢结构防火涂料》 （ GB 14907） 的规定外，还应符合下列要求： 1 生产厂家应提供非膨胀型防火涂料的热传导系数（ 500℃时）、比热容、含水率和密度 参数，或提供等效热传导系数、比热容和密度参数。非膨胀型防火涂料的等效热传导系数可按附录 A 的规定测定。 2 主要成份为矿物纤维的非膨胀型防火涂料，当采用干式喷涂施工工艺时，应有防止粉尘、纤维飞扬的可靠措施。 4.4 防火板 4.4.1 当钢结构采用防火板保护时，可采用 低密度防火板、中密度防火板和高密度防火板。 4.4.2 防火板材应符合下列要求： 1 应为不燃性材料； 2 受火时不炸裂，不产生穿透裂纹； 3 生产厂家应提供产品的热传导系数（500℃时）或等效热传导系数、密度和比热容等 参数。防火板的等效热传导系数可按附录 A 的规定测定。 4.5 其它防火隔热材料 4.5.1 钢结构也可采用粘土砖、 C20 混凝土或金属网抹 M5 砂浆等其他隔热材料作为防火保 护层。 4.5.2 当采用其它防火隔热材料作为钢结构的防火保护层时，生产厂家除应提供强度和耐 候性参数外，尚应提供热传导系数（ 500℃时）或等效热传导系数及密度、比热容等参数。其 他防火隔热材料的等效热传导系数可参照附录 A 的规定测定。 12 5 抗火设计基本规定 5.1 抗火极限状态设计要求 5.1.1 当满足下列条件之一时，应视为钢结构构件达到抗火承载力极限状态： 1 轴心受力构件截面屈服。 2 受弯构件产生足够的塑性铰而成为可变机构。 3 构件整体丧失稳定； 4 构件达到不适于继续承载的变形。 5.1.2 当满足下列条件之一时，应视为钢结构整体达到抗火承载力极限状态： 1 结构产生足够的塑性铰形成可变机构。 2 结构整体丧失稳定。 5.1.3 钢结构的抗火设计应满足下列要求之一： 1 在规定的结构耐火极限时间内， 结构或构件的承载力 Rd 不应小于各种作用所产生的组合效应 Sm ，即： Rd Sm (5.1.3-1) 2 在各种荷载效应组合下，结构或构件的耐火时间 td 不应小于规定的结构或构件的耐火 极限 t m ，即： t d t m (5.1.3-2) 3 结构或构件的临界温度 Td 不应低于在耐火极限时间内结构或构件的最高温度 Tm ，即： Td Tm (5.1.3-3) 5.2 一般规定 5.2.1 在一般情况下，可仅对结构的各构件进行抗火计算，满足构件抗火设计要求。 5.2.2 当进行结构某一构件的抗火验算时，可仅考虑该构件的受火升温。 5.2.3 有条件时，可对结构整体进行抗火计算，使其满足结构抗火设计的要求。此时，应 进行各构件的抗火验算。 13 5.2.4 进行结构整体抗火验算时，应考虑可能的最不利火灾场景。 5.2.5 对于跨度大于 80m 或高度大于 100m 的建筑结构和特别重要的建筑结构，宜对结构 整体进行抗火验算，按最不利的情况进行抗火设计。 5.2.6 对第 5.2.5 条规定以外的结构，当构件的约束较大时，如在内力组合中不考虑温度作 用，则其防火保护层设计厚度应按计算厚度增加 30%。 5.2.7 连接节点的防火保护层厚度不得小于被连接构件保护层厚度的较大值。 14 6 温度作用及其效应组合 6.1 室内火灾空气升温 6.1.1 一般工业与民用建筑的室内火灾空气温度可下式计算： Tg (t) Tg (0) 345lg(8t 1) (6.1.1) 式中 Tg (t)—— 对应于 t 时刻的室内平均空气温度（℃）； Tg ( 0) —— 火灾发生前的室内平均空气温度，取 20℃； t —— 升温时间（ min ）。 6.1.2 当能准确确定建筑室内有关参数时，可按附录 B 方法计算室内火灾的空气温度，也 可按其它轰燃后的火灾模型计算室内火灾的空气温度。 6.1.3 实际的室内火灾升温在任意时刻对结构的影响，可等效为标准火灾升温在等效曝火 时刻对结构的影响。本规范以钢构件温度相等为等效原则。当采用附录 B 方法计算室内火灾 的空气温度时，等效曝火时间 te 可按下式计算： t e 9 (16.434 2 4.223 0.3794)qT (6.1.3-1) 0.53 Aw h AT (6.1.3-2) 式中 t e —— 等效曝火时间（ min ）； —— 开口因子（ m1/2 ）； qT —— 设计火灾荷载密度（ MJ/m 2），按附录 C 计算； Aw —— 按门窗开口尺寸计算的房间开口面积（ m2）； h —— 房间门窗洞口高度（ m）； AT —— 包括门窗在内的房间六壁面积之和（ m2）。 6.2 高大空间火灾空气升温 6.2.1 本规范中，高大空间是指高度不小于 6m、独立空间地（楼）面面积不小于 500m2 的 建筑空间。 6.2.2 高大空间建筑火灾中的空气升温过程可按下式确定： T(x, z, t) Tg (0 ) Tz 1 0.8e t 0.2 e 0 .1 t (1 )e ( b x ) / μ (6.2.2) 15 式中 T(x, z, t) —— 对应于 t 时刻，与火源中心水平距离为 x (m) 、与地面垂直距离为 z (m) 处的空 气温度（℃） ； Tg ( 0) —— 火灾发生前高大空间内平均空气温度，取 20℃； Tz —— 火源中心距地面垂直距离为 z (m) 处的最高空气升温（℃） ，按附录 D 确定； —— 根据火源功率类型和火灾增长类型，按附录 D 确定； b —— 火源形状中心至火源最外边缘距离（ m）； —— 与火源中心水平距离为 x (m) 的温度衰减系数（无量纲） ，按附录 D 确定；且 当 x b 时， 1 ； —— 系数，按附录 D 确定。 6.2.3 火源功率设计值 Qs 应根据建筑物实际可燃物的情况，选取一合理数值。根据火源功率设计值 Qs ，可按表 6.2.3 确定火灾功率类型。 表 6.2.3 火源功率类型 火源类型 Qs （ MW ） 小功率火灾 <3.5 中功率火灾 3.5~15 大功率火灾 >15 6.2.4 火灾增长类型可根据可燃物类型按表 6.2.4 确定。 表 6.2.4 火灾增长类型 可燃物类型 火灾增长类型 密实木材，废纸筐 慢速 实木家俱，塑料制品，化学纤维填充物 中速 部分聚合物家俱，木板垛 快速 大部分聚合物家俱，塑料垛，薄板家俱 极快速 6.3 钢构件升温计算 6.3.1 火灾下钢构件的升温可按下列增量法计算，其初始温度取 20℃： Ts(tt ) B Tg (t ) Ts (t ) t Ts (t ) scs (6.3.1) 式中 t —— 时间增量（ s），不宜超过 30s； Ts —— 钢构件温度（℃） ； Tg —— 火灾下钢构件周围空气温度（℃） ； B —— 钢构件单位长度综合传热系数 [W/(m 3·℃ )] ，按第 6.3.2 条计算； cs —— 钢材的比热容，按表 4.1.1 取值； 16 s —— 钢材的密度，按表 4.1.1 取值。 6.3.2 钢构件单位长度综合传热系数 B 可按下列公式计算： 1 构件无防火保护层时： B ( c r ) F V (6.3.2-1) (T 273)4 (T 273)4 g s r r Tg (6.3.2-2) Ts 式中 F —— 构件单位长度的受火表面积（ m2/m）； V —— 构件单位长度的体积（ m3/m）； c —— 对流传热系数，取c 25 W/(m 2·℃ )； r —— 辐射传热系数[W/(m 2·℃ )] ； r —— 综合辐射率，通常取 r 0.5 ； —— 斯蒂芬 — 波尔兹曼常数， =5.67 ×10-8 W/(m 2 K 4)。 2 构件有非膨胀型保护层时： 1 i Fi B d i V ci i d i Fi 1 2cs sV (6.3.2-3) 式中 ci —— 保护材料的比热容 [ J/(kg K) ]； i —— 保护材料密度（ kg/m 3 ）； d i —— 保护材料厚度（ m）； i —— 保护材料 500℃时的热传导系数或等效热传导系数 [W/(m 3·℃ )] ； Fi —— 构件单位长度防火保护材料的内表面积（ m2/m）。 各类构件的 Fi / V 值可按附录 E 采用。 6.3.3 有非膨胀型防火保护层的钢构件， 当构件温度不超过 600℃时， 在标准火灾升温条件 下其内部温度可按下式近似计算： Ts( t) ( 0.044 5.0 10 5 B 0.2)t Ts0 Ts 700 ℃ (6.3.3) 式中 Ts0 —— 火灾前构件的初始温度，取为 20℃； t—— 火灾升温时间 (s)，当为非标准火灾升温时， 用第 6.1.3 条确定的等效曝火时间 te 代替。 6.3.4 在标准火灾升温条件下，无防火保护层的钢构件和采用不同参数防火被覆构件的升温也可按附录 F 查表确定。 6.3.5 当钢构件的防火被覆中含有水分时，宜考虑钢构件的升温延迟现象。其内部温度可 按下式计算 Ts (t ) = Ts(t ) t < t 17 Ts (t ) = 100 C t t t t v (6.3.4) Ts (t ) = Ts(t tv ) t > t tv 12P i di 2 tv i 式中 tv —— 延迟时间， ( s)； t —— 构件温度达到 100℃的时间； P—— 保护层中的含水率（质量百分比） ； Ts (t ) —— 考虑延迟现象的影响时，构件在 t 时刻的内部温度； Ts (t ) —— 不考虑延迟现象的影响时， 构件在 t 时刻的内部温度， 按第 6.3.1、6.3.3 或 6.3.4 条确定。 当有实测数据时，延迟时间 tv 可采用实测值。 当采用由附录 A 确定的防火被覆的等效热传导系数计算钢构件的升温时，可不考虑防火被覆中水分引起的延迟时间。 6.4 结构内力分析 6.4.1 在进行钢结构抗火计算时，应考虑温度内力和变形的影响。 6.4.2 计算钢结构中某一构件受火升温的温度内力和变形时，可将受火构件的温度效应等 效为杆端作用力（图 6.4.2），并将该作用力作用在与该杆端对应的结构节点上，然后按常温下 的分析方法进行结构分析，得到该构件升温对结构产生的温度内力和变形。其中，受火构件 的温度内力可按下式确定 NT N Te N f (6.4.2-1)