钢管混凝土柱防火保护的计算

钢管混凝土柱防火保护的计算

张小玲,肖兴军

(厦门市消防支队,福建厦门361012)

　　摘　要:以厦门国际旅游客运码头联检大楼为实例,通过对钢管混凝土柱耐火极限值的计算,确定钢管混凝土柱进行防火保护的问题。

关键词:钢管混凝土柱;耐火极限;防火保护;计算方法中图分类号:X924,TU375　　文献标识码:B文章编号:1009-0029(2007)05-0532-02

2.1　工程概况

该工程为二级多层民用建筑,采用钢管混凝土柱,柱长为11.4～17.1m,柱的支承方式为一端固定,一端绞支,其耐火极限要求不小于2.5h。2.2　抗火设计计算-(DBJ13根据《福建省钢管混凝土结构技术规程》15-2003)和《建筑钢结构防火技术规程》

钢管混凝土柱是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型组合结构。钢管混凝土结构能够更有效地发挥钢材和混凝土两种材料各自的优点,同时克服了钢管结构容易发生局部屈曲的缺点。近年来,随着理论研究的深入和新施工工艺的产生,工程应用日益广泛。钢管混凝土柱按照截面形式的不同可以分为矩形钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱和多边形钢管混凝土柱等,其中矩形钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱应用较广。1　钢管混凝土柱的特点

混凝土的抗压强度高,但抗拉能力很弱。而钢材,特别是型钢的抗拉能力强,具有良好的弹塑性,但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。钢结构虽然不燃,但是极易导热,当自身温度达到540℃以上,其力学性能迅速下降,而当温度达到600℃时,钢材的强度几乎为零。裸钢的耐火极限通常只有15～30min。而钢管混凝土柱在结构上能够将二者的优点结合在一起,可使混凝土处于侧向受压状态,其抗压强度可成倍提高;由于混凝土的存在,提高了钢管的刚度,两者共同发挥作用,从而大大地提高了承载能力;同时由于钢管内填有混凝土,能吸收大量的热能,因此遭受火灾时管柱截面温度场的分布很不均匀,增加了柱子的耐火时间,减慢钢柱的升温速度,并且一旦钢结构屈服,混凝土可以承受大部分的轴向荷载,可以防止结构倒塌。2　工程举例

影响钢管混凝土结构耐火极限的主要因素有:柱长细比、截面尺寸、材料强度、荷载偏心率以及保护层厚度等,对其进行合理的防火设计是非常重要和必要的。理论分析结果表明:火灾荷载比对钢管混凝土柱结构的耐火极限和防火保护层厚度影响很大,笔者拟通过对“厦门国际旅游客运码头联检大楼”工程的实际计算来确定钢管混凝土柱防火保护措施。532

(CECS200:2006)做出以下计算。

(1)工程钢结构截面属性。钢管混凝土柱的截面

为󰂡600×14及󰂡700×14,钢材选用Q345,f=310

2

N󰃗m(f为常温下钢材强度设计值),柱内灌注C30混凝土。

(2)钢管混凝土柱所需防火涂料保护层厚度Α计算方法见式(1):

()

(1)=KLR(19.2t+9.6)C0.28-0.0019ΚΑ

pn+q　　　　(Kt　(Kt<0.77)

(3.695-3.5n)(n≥0.77)1󰃗

(1-Kt)　　　　　　　(Kt≥0.77)Ξ(n-Kt)󰃗

(2)

KLR=

(0.77-Kt);q=Kt󰃗(Kt-0.77);Κ=4L󰃗p=1󰃗

D;L=0.7h。

式中:KLR为考虑火灾荷载比影响的系数;C为柱截面周长;Κ为柱长细比;Kt为火灾承载力影响系数;n为

火灾荷载比;L为柱的计算长度;h为柱的实际长度。

可见要计算构件防火保护层厚度,首先要进行构件的火灾荷载比(n)、火灾下承载力影响系数(Kt)以及考虑火灾荷载比影响的系数(KLR)的计算。

(3)火灾荷载比n的计算。依据《建筑钢结构防火技术规程》计算出火灾荷载比n见式(3):

xn=1󰃗f[N󰃗An+Mx󰃗ΧW

nx

+My󰃗yΧW

ny

](3)

2

式中:f=310N󰃗mm,N=445.32kN(钢结构柱轴向压力,钢结构设计值)

Mx=269.71kN󰃗m,My=234.10kN󰃗m

(Mx,My火灾时对构件强、弱轴的最大弯矩值,钢结构

设计值)

W

nx

=W

ny

=5114×103

(分别对X轴及Y轴的净截面模量,钢结构设计等

FireScienceandTechnology,September2007,Vol26,No.5

效计算值)

An=36442

(6)钢管混凝土结构柱防火涂料保护层厚度Α计

(最不利净截面面积,钢结构设计等效计算值)

.15X=Χy=1Χ

(绕X,Y轴弯曲截面塑性发展系数,圆截面相同)

将上述f,N,Mx,My,Wnx,Wny,ΧX,Χy值代入(3)

算,见式(6)。

()

=KLR(19.2t+9.6)×C-0.28-0.0019ΚΑ

将KLR、t、C、Κ值代入(6)式得出:<0　(Α为负值)Α2.3　计算结果分析

(6)

式中,可计算出火灾截面强度荷载比n为0.31。

(4)火灾下承载力系数Kt的计算。依据《福建省钢管混凝土结构技术规程》计算出火灾下承载力系数Kt见式(4)。

(1+at02.5)　t0≤t11󰃗

Kt=

(1)通过如上计算可知,钢管混凝土柱进行防火设

(bt0+c)　　t1(Kt<0.77)

(4)

计计算是必要的,当Α为负值时说明防火涂料厚度不

做要求即能满足柱耐火极限≥2.5h的要求;当Α>0时钢管混凝土柱需要作防火保护,并应经过计算确定保护层厚度。(2)在上述计算中,火灾荷载比n=0.31,火灾下承载力影响系数Kt=0.997,n(3)特别强调的是钢管混凝土柱需采用防火涂料保护时,应采用厚型防火涂料,而不应使用超薄型防火涂料。

参考文献:

[1]DBJ13-51-2003.福建省钢管混凝土结构技术规程[S].[2]CECS200:2006.建筑钢结构防火技术规程[S].

[3]李国强.现代钢结构抗火设计方法[J].消防科学与技术,2002,21

(1):8-11.

[4]韩林海.圆钢管混凝土柱耐火极限的理论计算结果及其工程实践

[J].消防科学与技术,2000,19(1):14-16.

[5]韩林海,徐蕾.方钢管混凝土柱耐火极限的理论研究[J].消防科学

kt0+d　　　t0≤t2　(Kt≥0.77)

32

式中:a=(-0.13Κ.92Κ.39Κ.74)×0+00-00+0(-2.85C0+19.45)-0.463

×(-1.59Κ.0Κ.0)b=C00+130-32.5

c=1+at1-bt1

(bt2+c)-kt2d=1󰃗

.04)×(0.0034C-k=(0.1Κ+1.36Κ0+0

0.0465C2.21C0-0.33)0+0

-32

t1=(7.2×10C0-0.02C0+0.27)×(-1.31

2030

×10Κ.17Κ.72Κ.49)0+00-00+1

-32-3

t2=(6×10C0-9×10C0+0.362)×(7×

-2

3

2

32

10-3Κ.209Κ.035Κ.868)0+00-10+1

100;C0=C󰃗1256;Κ󰃗400=Κt0=t󰃗

与技术,2000,19(4):7-8.

本工程在计算中取值为:

C=3.1416×650=2042mm(平均截面周长)t=2.5h(建筑耐火极限时间)=4L󰃗0.6=79.8(其中,17.1ΚD=4×17.1×0.7󰃗m为最不利柱长)

经计算:t1=0.192(可见t0≤t1),a=29.88。将Α、t0值代入(4)式,可以得到火灾承载力影响系数Kt:

(1+29.88×0.0252.5)=0.997Kt=1󰃗

(5)考虑火灾荷载比影响系数KLR的计算。依据

Discussiononcalculationoffireresistancetoconcrete-filledhollowsteelcolumn

ZHANGXiao2ling,XIAOXing2jun

(XiamenFireDetachment,Xiamen361012,China)Abstract:Discusseshow

tocalculatethemaximum

fire

resistanceofconcrete2filledhollowsteelcolumnbasedonamultiple2checkbuildinginapassengerwharfofXiamenInternationalTravel,aimingtogivingacorrectfireprotectiondesigntoconcrete2filledhollowsteelcolumn.

Keywords:concrete2filledhollowsteelcolumn;themaximumfireresistance;fireprotection;calculationmethod

《福建省钢管混凝土结构技术规程》计算出考虑火灾荷

载比影响系数KLR,见式(5)。

(1-Kt)　(Kt=0.997,大于KLR=Ξ(n-Kt)󰃗0.77)

(5)

Ξ=7.2×t=18

n=0.31,Kt=0.997

(1-0.997)KLR=18(0.31-0.997)󰃗

KLR<0

消防科学与技术2007年9月第26卷第5期

作者简介:张小玲,女,厦门市消防支队防火处高

级工程师,主要从事消防监督管理工作,福建省厦门市湖滨北路119号,361012。

收稿日期:2007-03-10

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