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(kāi)始實(shí)施，其中包含多項(xiàng)強(qiáng)條，引發(fā)了業(yè)界關(guān)注。大家普遍反映相關(guān)計(jì)算有些復(fù)雜，主要是因?yàn)槟壳吧形从兄髁髟O(shè)計(jì)軟件跟進(jìn)該規(guī)范，使得大家在操作時(shí)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(jì)算插件，能夠一鍵完成冗長(zhǎng)的計(jì)算流程，讓防火計(jì)算與設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。

為便于理解、應(yīng)用，首先對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)理論作簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)如何應(yīng)用插件予以說(shuō)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(shí)，結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度只有常溫時(shí)的50%；溫度700℃時(shí)，結(jié)構(gòu)鋼屈服強(qiáng)度只有常溫時(shí)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(wú)防火保護(hù)的鋼構(gòu)件，在受火15~20min時(shí)，即可能達(dá)到600℃以上，難以達(dá)到《建筑設(shè)計(jì)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(duì)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(chēng)為厚型防火涂料，后者常稱(chēng)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(jì)方法

在GB51249-2017實(shí)施之前，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)主要根據(jù)防火涂料檢測(cè)報(bào)告（按照《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》GB 14907測(cè)試）。例如：某檢測(cè)報(bào)告中，涂抹了d厚度的防火涂料，構(gòu)件耐火試驗(yàn)測(cè)試得到的耐火極限為2.0小時(shí)。則在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于耐火極限要求為2.0小時(shí)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(jì)方法存在較大的問(wèn)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(cè)報(bào)告給出的涂層厚度，是針對(duì)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(shí)間的主要因素之一。顯而易見(jiàn)，當(dāng)構(gòu)件的荷載比為0時(shí)，火災(zāi)下構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)破壞，除非熔化；當(dāng)構(gòu)件的荷載比接近于1時(shí)，溫度較低的時(shí)候，構(gòu)件就會(huì)出現(xiàn)破壞。因此，抗火設(shè)計(jì)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(shí)間的主要因素之一。構(gòu)件的截面形狀系數(shù)為：截面周長(zhǎng)與截面面積之比，表征了構(gòu)件的厚實(shí)程度。顯而易見(jiàn)，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(jì)方法與計(jì)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(yàn)算的防火設(shè)計(jì)方法。

按照GB51249第3.2.5條，對(duì)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(jì)算構(gòu)件在火災(zāi)下的組合效應(yīng)。

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

（2）抗火設(shè)計(jì)方法

按第3.2.6條，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗(yàn)算和防火設(shè)計(jì)，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(wú)防火保護(hù)）；

2.按第6章，計(jì)算構(gòu)件溫度【由本插件計(jì)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(jì)算】；

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

5.按第7.1節(jié)，驗(yàn)算構(gòu)件耐火承載力【由SAP2000計(jì)算】；

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

臨界溫度法（注：此項(xiàng)功能待下一步開(kāi)發(fā)）

1.按第3.2.2條，計(jì)算構(gòu)件荷載效應(yīng)組合；

2.計(jì)算火災(zāi)下構(gòu)件的荷載比；

3.按第7.2節(jié)，計(jì)算構(gòu)件的臨界溫度；

4.按第7.2.8、7.2.9條計(jì)算防火保護(hù)層的厚度。

從以上可見(jiàn)，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。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)軟件，可直接計(jì)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(jì)算厚度。7.2.8/7.2.9條的公式為顯式公式，不需要迭代計(jì)算，應(yīng)用時(shí)較為簡(jiǎn)便。

（3）構(gòu)件歸類(lèi)

對(duì)每個(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)和便于施工，有必要對(duì)構(gòu)件按照樓層、構(gòu)件截面等進(jìn)行適當(dāng)歸類(lèi)，取其最不利的結(jié)果作為該歸類(lèi)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(gè)模塊：

（1）“承載力法”鋼構(gòu)件抗火計(jì)算；

（2）鋼—混凝土組合梁抗火設(shè)計(jì)（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(kāi)SAP2000對(duì)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(chēng)，例如“防火計(jì)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(gè)插件。

模塊1：鋼構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)

打開(kāi)插件，主界面如下：

首先在窗口中選中需要計(jì)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(xiàng)參數(shù)，有無(wú)防火保護(hù)均可計(jì)算，保護(hù)類(lèi)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(lèi)型包括工字鋼、箱型截面和圓管。

選擇不同的涂料類(lèi)型時(shí)，下拉框和填框會(huì)自動(dòng)根據(jù)計(jì)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(jì)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(jì)算。

在鋼構(gòu)件的升溫計(jì)算中（6.2.1、6.2.2節(jié)），規(guī)范中采用了一種時(shí)間增量迭代的方法，經(jīng)校核，增量步取1~5s，結(jié)果都沒(méi)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(shí)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(guò)10%。

模塊2：鋼與混凝土組合梁抗火設(shè)計(jì)

選擇“鋼—混凝土組合梁抗火設(shè)計(jì)”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(xiàng)參數(shù)，點(diǎn)擊“驗(yàn)算”即可彈出各項(xiàng)計(jì)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(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)截面，能夠自動(dòng)判斷并應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算公式。

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