工作学习笔记(3)钢与混凝土组合梁的防火计算

一、引言

混凝土与钢材作为现代建筑结构的核心材料，其常温下的优异性能已被充分认知与应用。然而，二者均具有显著的受热软化特性，即随着温度升高，其力学性能（如强度、弹性模量）会急剧劣化。这一共同的材料弱点，构成了建筑物在火灾等高温环境下最主要的安全威胁。

二、材料力学性能在高温下的衰减特性

根据《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017的相关规定，在高温环境下，钢材和混凝土的材料力学性能均呈现衰减趋势，主要表现为屈服/单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而下降。

（1）钢材在高温下的力学性能

屈服强度：常规结构钢，在高温下其屈服强度折减系数计算公式如下：

耐火钢，在高温下其屈服强度折减系数计算公式如下：

根据上述公式，绘制钢材屈服强度折减系数随温度变化曲线：

         图1 钢材屈服强度折减系数随温度变化曲线

弹性模量：常规结构钢，在高温下其弹性模量折减系数计算公式如下：

对于耐火钢，在高温下其弹性模量折减系数计算公式如下：

根据上述公式，绘制钢材弹性模量折减系数随温度变化曲线：

        图2 钢材弹性模量折减系数随温度变化曲线

（2）混凝土在高温下的力学性能

对于普通混凝土，其轴心抗压强度折减系数、弹性模量折减系数与温度的关系如下：

根据上述公式，绘制混凝土力学性能随温度变化的拟合曲线：

 图3 混凝土轴心抗压强度折减系数随温度变化曲线

    图4 混凝土弹性模量折减系数随温度变化曲线

三、火灾升温曲线

建筑火灾一般多发生于室内，火灾的发展过程及其严重程度，取决于室内可燃物的燃烧性能、数量及分布情况，也与着火房间的空间体型特征、通风情况相关。实际火灾发生时，温度变化是多种多样的，为了便于实际工程的应用，《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017中给出了两类燃烧物的火灾升温曲线，分别是标准火灾升温曲线和碳氢（HC）升温曲线。

标准火灾升温曲线：适用于以纤维类火灾为主的建筑，其可燃物主要为一般可燃物，如木材、纸张、棉花、布匹、衣物等，可混有少量塑料或合成材料。

碳氢（HC）升温曲线：适用于可燃物以烃类材料为主的场所，如石油化工建筑及生产、存放烃类材料、产品的厂房等。

                     图5 火灾升温曲线

四、钢与混凝土组合梁防火计算

钢与混凝土组合梁是一种常见的构件类型，通过设置抗剪连接件将混凝土板与钢梁连接，使两种不同类型的构件得以协同工作，这类构件在新建结构和加固改造中应用范围较广。

《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017中对防火计算给出了3种方法，即耐火极限法、承载力法和临界温度法，这3种方法的本质都是通过简化计算，验算构件在设计耐火极限时间内是否满足耐火承载力极限状态要求。

本工程是小刘前几年接触的一个项目，项目地点在海外，由于当时常规的设计软件还不支持组合截面的防火计算，因此小刘通过Mathcad编制了一个计算书，在此以某跨钢梁为例分享给大家：

五、结语

火灾不仅会导致结构材料性能的急剧劣化，还会产生巨大的温度应力与变形，造成关键构件在高温下失效，引起多米诺骨牌式的连续倒塌。因此，防火设计是确保建筑在极端火灾条件下，结构不会先于人员安全疏散而失效的最后一道防线，是每一位结构工程师都应该理解并践行的准则。

1964年8月，世界上第一艘核动力航母下水航行时，水手们站在甲板上，用队列摆出了物理学史上最伟大的公式之一“质能守恒公式E=mc²”，以致敬物理学家对人类进步的卓越贡献。

如果说有一个公式能贯穿结构工程师整个职业生涯的话，我想这个公式应该是“R≥S”，R代表结构的抗力，S代表作用效应。

我们计算书上每一个数字、图纸上的每一个线条、规范标准的每一行条文，最终都是为了在所有可预见的工况下，证明并实践R≥S这一不等式。结构工程师的职业生涯，也就是R与S博弈的生涯，是为了在面对自然之力S时，能构筑起人类社会的坚强屏障R，并在这两者之间寻求安全、经济与美的平衡。