钢框架结构抗火保护的设计选择方法

专利名称:钢框架结构抗火保护的设计选择方法
技术领域：
本发明涉及建筑结构领域中防灾减灾的防护工程设计，特别地涉及一种钢框架结构抗火保护的设计选择方法。
背景技术：
在建筑结构中常采用钢框架结构，火灾情况下钢框架结构可能达到的温度如果小于200℃，则不需要对钢框架结构作防火保护，但当钢框架结构可能达到的温度超过200℃时则需作保护，因为钢材的温度在200℃≤T≤600℃时虽然仍保持一定的强度，但强度已减小，在600℃时钢材的强度为常温情况下的30％，至900℃时钢材的强度为0。为此，通常情况下，通过计算对钢框架结构部分或全部涂敷抗火涂料或外包钢筋混凝土施以保护。
目前对于钢框架结构的防火保护的设计选择方法，在结构设计中通常采用的是条文式的“处方法”来进行，即根据建筑物的耐火等级或用途以及耐火极限时间确定相应的保护范围和厚度。“处方法”设计钢框架结构的防火保护主要存在如下问题①未考虑钢材温度超过200℃以上的强度。②对于建筑用途不同的同一种结构形式，不考虑结构所受的外荷载变化、边界条件和截面尺寸的不同、应力比和结构受载的各种工况等诸多因素的影响；③有时会导致抗火安全度不足，有时又会导致较大的浪费即精度不高。
对于钢框架结构的抗防火保护的设计选择的另一种先进方法是保证结构完成功能的性能化设计方法。即根据作用在钢框架结构上的火灾荷载大小和可能的火灾情景，采用热传导的基本原理和火灾高温情况结构的力学作用特征，定量地计算确定钢框架的抗防火及保护的方法。性能化设计方法完全克服了“处方法”的缺点，对于钢框架结构抗火分析主要有两种方法有限元计算的下限法和塑性极限分析的上限法。有限元法由于能考虑高温下材料非线性和几何非线性而受到了很多学者的青睐，但是由于它处理问题的特定性和建模、计算工作量较大，使得难于在工程设计中使用。基于经典塑性极限分析理论(Plastic limit analysis theory)的上限法可以直接计算出各类工程结构在比例加载下的极限承载能力，不仅使用方便且简单有效，是解决钢框架抗火分析行之有效的方法。

发明内容为了科学地确定钢框架的保护方法，本发明专利钢框架结构抗火及保护方法，考虑了钢材超过200℃以上的强度对各种基本钢框架结构的保护方法，提出了按塑性极限分析的上限法来确定整体结构的临界温度，克服了以往下限法计算复杂繁琐、难于收敛和应用的不足。在满足工程应用的精度要求前提下，使结构计算变得简单、有效，适于工程设计中使用。通过计算对钢框架结构部分或全部涂敷抗火涂料或外包混凝土施以保护。
本发明提供了一种钢框架结构抗火保护的设计选择方法，包括如下步骤(1)根据塑性极限分析理论确定钢框架结构的平面结构或空间结构的基本破坏机构总数N，并设定钢框架结构的各杆件的初始温度；(2)确定目标函数η，η为塑性极限状态时基本破坏机构迭加的内力功与外力功之比，并满足下式η=Σn=1NXnWinΣn=1NXnWen(Xn≥0)]]>设基本破坏机构n的内力塑性功为Win，Win与温度及该温度下钢框架结构控制截面的塑性极限弯矩及破坏机构杆件转角相关，对应的外力功为Wen，Wen与作用在结构边界上的广义外荷载及破坏机构的位移速率相关，N为上述的基本破坏机构总数，Xn为基本破坏机构的转角倍数因子；(3)上述公式中η与变量X1，X2，…，Xn的关系依次为一次非线性关系，优化分析所属非线性问题，通过优化Xn使得迭加机构的塑性铰消失，使得内力功减小，从而获得η的极小值，相应的破坏机构被找到，根据塑性极限分析理论原理该机构对应的临界温度即为钢框架所有可能的破坏机构中的最小值；(4)采用迭代法确定目标函数η的最小值对应的钢框架的临界温度值设定所述钢框架结构的各杆件的温度增量为dt，下一步的温度增量变为(η-1)dt，其中的η为上一步迭代所得，进行迭代优化计算；(5)设定tole为允许精度，dt1为所有构件温度变化量绝对值的累加，迭代收敛准则采用abs(dt1)＜tole或|η-1|＜tole，当迭代计算满足上述两个迭代收敛准则之一时，计算得出钢框架各杆件的临界温度；(6)将计算得出的钢框架各杆件的临界温度与火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值进行比较，以确定是否需要对钢框架进行保护。
优选地，所述的允许精度tole值为0.01。
所述的内力塑性功Win与钢框架的截面类型、截面参数、钢材的屈服强度及梁、柱的长度有直接关系，外力功为Wen与作用在钢框架结构上的外荷载、钢框架的类型及边界条件有关。
对钢框架进行保护采用部分或全部涂敷抗火涂料或外包混凝土。
所述的钢框架结构为单跨单层框架、双跨单层框架、单跨双层框架、单跨三层框架、双向单跨单层空间框架五种结构之一。
所述的钢框架结构为平面钢框架结构或空间钢框架结构，当为空间钢框架结构时，其基本破坏机构数目的确定通过将空间结构分解为双方向的平面结构，再按平面结构分别找出基本破坏结构数叠加为空间结构的基本破坏机构数目。
所述的温度特征值采用英、美通用的计算公式求得或根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS2002006获得。
所述的优化分析非线性问题采用准牛顿的方法进行优化计算。
所述的将空间结构分解为平面结构后，确定相应的梁机构、层机构和节点机构，并进一步确定相应各机构的基本破坏机构数，通过累加获得基本破坏机构总数N。
当计算得出的钢框架各杆件的临界温度大于火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值，验算杆件稳定强度是否满足要求，当满足要求时，钢框架结构安全，不需要做耐火层保护，当不满足要求时，根据计算结果对结构部分或全部做耐火层保护，或加大截面不做保护层。
图1钢框架结构的五种基本形式；图2确定框架临界温度Tc(i)计算机框图图3确定火灾时钢框架的保护范围的计算框图图4空间结构分解为平面结构计算简图及梁机构图图5空间结构分解为平面结构的层机构图图6单跨三层结构计算简图图7单跨三层结构保护范围图之一图8单跨三层结构保护范围图之二图9单跨三层结构保护范围图之三图10单跨三层结构保护范围图之四图11双跨单层结构计算简图图12双跨单层结构保护范围图图13双向单跨单层空间钢架计算简图图14双向单跨单层空间钢架保护范围图为更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
具体实施方式如图1所示，为钢框架结构通常采用的基本形式①单跨单层框架；②双跨单层框架；③单跨双层框架；④单跨三层框架；⑤双向单跨单层空间框架；上述钢框架的五种形式是工业与民用建筑中的基本结构，根据建筑用途的不同，荷载也不同。可能是工业厂房、装置内设备支架和管廊，也可能是对应层数和跨度的住宅、办公楼和商场等。实施例中对于石油化工三层钢框架管廊等进行了分析，根据作用在结构上荷载的变化和结构截面尺寸的不同，在一层有火源时计算出的钢框架保护方案也不同。
钢框架结构采用部分或全部涂敷抗火涂料或外包混凝土施以保护。对于上述的钢框架结构的基本形式，在考虑外荷载的情况、火灾时钢材高温强度、结构的边界条件、结构受载及各种工况、火灾时结构所承受的温度和结构的耐火极限时间等诸多因素条件下，采用塑性极限分析的上限法通过计算来确定钢框架基本形式的保护范围。
一般火灾情况下，随着外荷载的增加、温度升高后钢材屈服强度的降低、结构边界约束的增强等，钢框架的临界温度呈现降低的趋势。采用塑性极限分析理论的上限法是通过内外力功与上述因素联系起来的，基本原理为升温时钢框架破坏机构的内力塑性功为Wi＝∑Muj(t)·θj(1)式中，Muj(t)为温度t时钢框架结构控制截面的塑性极限弯矩，·θj为相应的破坏机构杆件转角；结构的外力功表示如下
式中，Pi为作用在结构边界上的广义外荷载，
为相应破坏机构的位移速率。
根据钢框架上限分析临界破坏方程Wi＝We(3)式中，Wi为钢框架相应的破坏机构的全部内力功；We为钢框架相应的破坏机构的全部外力功。
令η=WiWe]]>，则η为临界破坏载荷乘子，当η=1时表示结构处于临界破坏状态，η＞1表示结构没有破坏，η＜1表示结构已经破坏。
在内力塑性功Wi即式(1)中，Muj(t)与实例中钢框架的截面类型、截面参数(即实例中(2)、(3)中的参数)有直接的关系，通常截面类型和截面尺寸参数的不同，杆件的塑性极限弯矩也不同，截面尺寸参数愈大，塑性极限弯矩值愈高，最终通过优化理论寻找出的破坏机构对应的结构临界温度值也较高，反之依然；影响Muj(t)的另一个重要因素是温度t时钢材的屈服强度，通常屈服强度随结构温度的升高而降低，同样，结构的屈服强度低则其临界温度也降低，在实例中是通过材料屈服强度变化控制点数(5)-(11)来确定的，具体的数值可通过材料高温下的性能试验得出，我国目前选用的是欧洲ECCS标准应变为0.5％时的数值。
在结构的外力功We中，Pi反映了实例中基本参数(12)作用在结构上的外荷载及工况，
为相应破坏机构的位移速率，其与钢架的类型及结构的边界条件有关，即通过实例中基本参数(1)和结构的尺寸参数实例中基本参数(4)来确定，
值的大小取决于极限分析理论中可能的位移场的情况。通常作用在结构上的外荷载愈大和结构的尺寸愈大，结构破坏的临界温度值愈低。
另一个影响结构临界温度的重要因素是结构的耐火极限时间，它通过火灾时的热释放率Q来反映，而火灾的热释放率Q是根据火灾的类型和规模由相关规范通过查表或计算来确定的。通常要求的结构耐火极限时间愈长，结构的临界温度愈低。
为确定钢框架火灾时临界温度Tc(i)，具体实施技术方案为首先，根据塑性极限分析理论确定结构可能的基本破坏机构。对于一般的平面钢框架结构，可按塑性极限分析理论中现有的方法确定基本破坏机构；对于空间钢框架结构，本申请提出了将空间结构分解为双方向的平面结构，再按平面结构分别找出基本结构数叠加为空间结构的基本机构数目的方法。
将空间结构分解为双方向的平面结构的具体方法是将图13的双向单跨单层空间钢框架，依次沿yz平面的1，3杆件、xz平面的4，5杆件和yz平面的6，8杆件，展开为图4的平面结构简图，根据塑性极限分析理论确定的梁机构如图4所示，基本破坏机构数为2；确定的层机构如图5所示，基本破坏机构数为3；确定的节点机构如图5所示，基本破坏机构数为4。同理，依次沿xy平面的1，6杆件、xz平面的2，7杆件和xy平面的3，8杆件，展开为平面结构，确定的梁、层和节点机构数分别为0、3和4。把双向展开的平面结构的机构数相加共计为16，即为双向单跨单层空间钢框架的破坏机构数目。
然后，应用塑性极限分析理论和非线性规划优化理论确定目标函数η，η为塑性极限状态时结构不同基本破坏机构迭加的内力功与外力功之比，本申请提出的η的表达式为(4)，通过优化计算在所有可能机构中寻找内力功最小的破坏机构，假设基本破坏机构n的内力塑性功为Win，对应的外力功为Wen，基本破坏机构总数为N。Xn为基本破坏机构的转角倍数因子。优化的准则为通过优化Xn使得迭加机构的塑性铰消失，使得内力功减小，从而获得η的极小值，相应的破坏机构被找到，根据塑性极限分析理论原理该机构对应的临界温度即为钢框架所有可能的破坏机构中的最小值。
η=Σn=1NXnWinΣn=1NXnWen(Xn≥0)---(4)]]>
根据目标函数η的表达式(4)，η与变量X1，X2，…，Xn的关系依次为一次非线性关系，在数学上为优化分析的非线性规划问题，采用FORTRAN编制的准牛顿的方法源程序进行优化计算。
最后，为确定根据目标函数η的最小值对应的钢框架的临界温度值，通过采用迭代法来确定结构的临界温度。对于考虑火灾温度场中钢材的材料非线性曲线的影响，即随火灾温度上升钢材强度值的降低曲线。根据实际情况，火灾发生时，每根构件的温度是随时间均匀增加的。因此可以预先给定每根构件的温度增量dt，在实际计算中，利用上一步迭代得到的η，下一步的温度增量变为(η-1)dt，再重新进入优化求解，提高了计算效率和精度。dt1为所有构件温度变化量绝对值的累加，程序中的迭代收敛准则可以用|η-1|＜tole或者abs(dt1)＜tole来判断。通过迭代和设置允许精度的非线性求解最终确定了整体结构的临界温度Tc(i)，其中i为整体结构中相应的各杆件号，tole为允许精度，一般取为0.01。
上述确定临界温度计算机软件实现框图如图2所示。一般计算过程为将钢框架类型及梁柱的长度、杆件的截面尺寸、随着温度的变化钢材屈服强度的降低、作用外荷载的大小、杆件的初始温度等设定为基本数据，即包括结构的各项基本参数和确定基本破坏机构所需的信息，输入基本数据，调用程序进行优化分析得到载荷乘子η＝eta1，对于简单结构计算时eta1＝1有精确解，可直接得出结构的临界温度；对于复杂结构计算，一般eta1大于1，则需要通过优化迭代求得η＝eta1，判断结构中每个构件所有温度变化量均满足abs(dt1)＜TOLE收敛条件时，计算得出结构的临界温度Tc(i)。否则重新进行η＝eta1的优化迭代求解，重复上述计算过程直到满足收敛条件得到结构的临界温度Tc(i)。
接下来确定火灾燃烧时杆件所能达到的温度特征值Tm(i)火灾发生时，随着时间t的持续，钢框架结构所达到的温度不断增高。根据火灾情景和杆件位置的不同，各杆件的温度特征值Tm(i)可用相关公式进行计算。在结构达到的耐火极限时间范围内，如果结构的临界温度Tc(i)大于相应杆件的Tm(i)，则结构是安全的，否则处于不安全状态。
采用英、美等国家的计算公式确定火灾燃烧时的特征值Tm(i)连续火焰的高度lc=0.08Q25---(6)]]>
火柱温度Tp-T0＝880当Z<0.08Q25---(7)]]>Tp-T0=70(Q25Z)]]>当0.08Q25<Z<0.2Q25---(8)]]>Tp-T0=23.6(Q25Z)53]]>当Z>0.2Q25---(9)]]>式中lc——火焰的高度，m；Q——稳定火源的热释放率，kW；Tp——火源上方高度Z处烟流的平均温度(火柱温度)，℃；T0——周遍环境温度，℃；Z——火源上方高度Z，m；或采用《建筑钢结构防火技术规范》CECS2002006中方法来确定。计算得出构件的最高温度Tm(℃)比较以上两者温度值，即Tc(i)和Tm(i)，确定火灾时钢框架的保护范围的计算框图见图3。
根据火灾的热释放率Q，采用热动力学基本原理和现有公式确定钢框架中杆件的温度Tm(i)，将上述计算出的钢框架结构中杆件的临界温度Tc(i)与杆件的温度Tm(i)进行比较，当Tc(i)≥Tm(i)时，对杆件验算满足稳定强度要求后，钢框架中相应杆件可不做防火保护，否则需做防火保护或加大杆件截面尺寸重复计算直到满足要求为止。
利用上述方法确定钢框架的抗防火的保护方案，其结果是钢框架结构无需作保护、钢框架结构部分需作保护和钢框架结构全部需作保护三种。
与现有保护技术不同点①对于钢框架结构火灾时温度超过200℃情况考虑钢材的强度，通过理论计算确定结构的临界温度Tc(i)，并保证结构火灾实际能达到的温度Tm(i)小于结构的临界温度Tc(i)；②采用塑性极限分析理论的上限法，通过内外力功之比η的优化计算在所有可能机构中寻找内力功最小的破坏机构，来考虑火灾时温度变化材料的非线性、结构所承受的外荷载和工况的变化、截面尺寸的不同和结构的边界条件等诸多因素的影响；③通过计算定量地确定了钢框架的保护范围和保护方案的多样性和灵活性。
有益效果
本申请提供的钢框架结构抗火保护方法的优点在于采用先进的理论，编制了计算机软件，可以科学地定量计算出钢框架的保护范围，相对于目前钢框架“处方法”设计，仅根据耐火等级和用途确定耐火极限时间和保护范围的方法，取得了结构抗火安全和经济的双赢。
为更好地理解本发明，给出如下计算实例。
(一)单跨三层框架为例●实例1某石化单跨三层钢框架的跨度为12m，一、二、三层的层高分别为5m、3m、3m，承受的水平荷载均为100kN，承受的垂直荷载均为200kN，梁截面均为HN700×300，柱截面均为HM588×300。火灾时火源在地面钢框架承受的热释放量Q为36MW。如图6示，确定钢框架的保护方法。
计算步骤如下1.确定编制的计算程序基本参数(1)钢架类型ip1＝4，温度变化情况ip2＝1，ip3＝ip4＝ip5＝ip6＝0；(2)截面类型2；(1表示矩形截面，2表示工字型截面)(3)截面参数工字型cbb＝0.3m；chb＝0.7m；tb1＝0.024m；tb2＝0.0013m；cbc＝0.3m；chc＝0.588m；tc1＝0.002m；tc2＝0.012m；(4)梁、柱的长度1＝12m；H1＝3m；H2＝3m；H3＝5m；(5)材料屈服强度随温度变化控制点数MST＝6；(6)材料屈服强度与对应温度第一点CMS(1，1)＝205000；CMS(1，2)＝0；
(7)材料屈服强度与对应温度第二点CMS(2，1)＝159000；CMS(2，2)＝300；(8)材料屈服强度与对应温度第三点CMS(3，1)＝100000；CMS(3，2)＝500；(9)材料屈服强度与对应温度第四点CMS(3，1)＝25000；CMS(3，2)＝700；(10)材料屈服强度与对应温度第五点CMS(3，1)＝12000；CMS(3，2)＝800；(11)材料屈服强度与对应温度第六点CMS(3，1)＝2000；CMS(3，2)＝1000；(12)作用力的大小PV1＝200KN；PV2＝200KN；PV3＝200KN；PH1＝100KN；PH2＝100KN；PH3＝100KN；2.确定计算时保护措施 无保护；3.确定杆件初始温度t(i)t(1)＝200℃；t(2)＝150℃；t(3)＝100℃；t(4)＝100℃；t(5)＝150℃；t(6)＝200℃；t(7)＝100℃；t(8)＝150℃；t(9)＝200℃；4.确定杆件温度变化情况it(i)it(1)＝1；it(2)＝1；it(3)＝1；it(4)＝1；it(5)＝1；it(6)＝1；it(7)＝1；it(8)＝1；it(9)＝1；[注it(i)＝0表示温度不变；it(i)＞0表示温度变化，如果it(1)＝it(3)＞0表示1和3构件温度变化相同。]5.调用编制的计算程序进行临界温度计算；6.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝573.0120℃；Tc(2)＝523.0118℃；Tc(3)＝473.0118℃；Tc(4)＝473.0118℃；Tc(5)＝523.0118℃；Tc(6)＝573.0120℃；Tc(7)＝473.0118℃；Tc(8)＝523.0118℃；Tc(9)＝573.0120℃；7.杆件火灾燃烧时达到的温度特征值Tm(i)
采用英、美等国家的计算公式确定火灾燃烧时的特征值计算得出构件的最高温度Tm(℃)一层Tm＝900℃；二层Tm＝602℃；三层Tm＝443℃；8.初步结论Tc(一层)＝573.0120℃＜Tm(一层)＝900℃Tc(二层)＝523.0118℃＜Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝473.0118℃＞Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构一层和二层均处于不安全状态。故采取保护措施如下可采取对结构一层或一层、二层或一层、二层、三层这三种保护措施。计算如下。
9.进行保护措施计算一层保护；10.调用编制的计算程序进行临界温度计算；11.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200.0000℃；Tc(2)＝661.2 581℃；Tc(3)＝611.2579℃；Tc(4)＝611.2579℃；Tc(5)＝661.2581℃；Tc(6)＝200.0000℃；Tc(7)＝611.2579℃；Tc(8)＝661.2581℃；Tc(9)＝200.0000℃；12.最终结论Tc(二层)＝661.2581℃＞Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝611.2579℃＞Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构一层、二层和三层均处于安全状态。故此钢框架的保护方法为对结构一层进行保护，见图7。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
●实例2某石化单跨三层钢框架的跨度为12m，一、二、三层的层高分别为5m、3m、3m，承受的水平荷载均为300kN，承受的垂直荷载均为100kN，梁截面均为HN700×300，柱截面均为HM588×300。火灾时火源在地面钢框架承受的热释放量Q为36MW。如图6示，确定钢框架的保护方法。
计算步骤1-7同实例1。
8.初步结论1Tc(一层)＝397.0286℃＜Tm(一层)＝900℃Tc(二层)＝347.0287℃＜Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝297.0286℃＜Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构一层、二层和三层均处于不安全状态。故采取保护措施如下可采取对结构一层或一层、二层或一层、二层、三层这三种保护措施。计算如下9.进行保护措施计算一层保护；10.调用编制的计算程序进行临界温度计算；11.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200.0000℃；Tc(2)＝534.0538℃；Tc(3)＝484.0537℃；Tc(4)＝484.0537℃；Tc(5)＝534.0538℃；Tc(6)＝200.0000℃；Tc(7)＝484.0537℃；Tc(8)＝534.0538℃；Tc(9)＝200.0000℃；12.初步结论2Tc(二层)＝534.0538℃＜Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝484.0537℃＞Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构二层仍处于不安全状态。故此钢框架的保护方法为可对结构一层、二层采取保护措施。计算如下13.进行保护措施计算一、二层保护；14.调用编制的计算程序进行临界温度计算；15.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200.0000℃；Tc(2)＝150.0000℃；Tc(3)＝654.3721℃；Tc(4)＝654.3721℃；Tc(5)＝150.0000℃；Tc(6)＝200.0000℃；Tc(7)＝654.3721℃；Tc(8)＝150.0000℃；Tc(9)＝200.0000℃；16.最终结论Tc(三层)＝654.3721℃＞Tm(三层)＝443℃
通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构一层、二层和三层均处于安全状态。故此钢框架的保护方法为对结构一层和二层进行保护，见图8。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
对于该石油化工生产装置单跨三层钢框架管廊，根据火灾可能发生情形，按照国外厂商的要求，在火灾和爆炸危险区范围的所有钢结构均作防火保护。另一方面，按国内石油化工规范的条文方法，钢框架管廊仅一层结构须做防火保护。而采用本申请给出的上述钢框架科学计算的保护方法，与国外方法相比钢框架的保护范围可减少35％，节约了建设投资，与国内的条文法相比钢框架的保护范围增加了30％，保证了结构的抗火安全度。这是由于国内基于构件试验没有考虑结构的外荷载和边界条件的设计法，对上述具体的项目设计的抗火安全度不足。
●实例3某石化单跨三层钢框架的跨度为12m，一、二、三层的层高分别为5m、3m、3m，承受的水平荷载均为200kN，承受的垂直荷载均为100kN，梁截面均为HN346×174，柱截面均为HM588×300。火灾时火源在地面钢框架承受的热释放量Q为36MW。如图6示，确定钢框架的保护方法。
计算步骤1-7同实例1。
8.初步结论1Tc(一层)＝204.8698℃＜Tm(一层)＝900℃Tc(二层)＝154.8698℃＜Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝104.8698℃＜Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构一层、二层和三层均处于不安全状态。故采取保护措施如下可采取对结构一层或一层、二层或一层、二层、三层这三种保护措施。计算如下9.进行保护措施计算一层保护；10.调用编制的计算程序进行临界温度计算；11.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200.0000℃；Tc(2)＝150.3711℃；Tc(3)＝100.3711℃；
Tc(4)＝100.3711℃；Tc(5)＝150.3711℃；Tc(6)＝200.0000℃；Tc(7)＝100.3711℃；Tc(8)＝150.3711℃；Tc(9)＝200.0000℃；12.初步结论2Tc(二层)＝150.3711℃＜Tm(二层)＝602℃Tc(三层)＝100.3711℃＜Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构二层、三层仍处于不安全状态。故此钢框架的保护方法为可对结构一层、二层采取保护措施。计算如下13.进行保护措施计算一、二层保护；14.调用编制的计算程序进行临界温度计算；15.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200.0000℃；Tc(2)＝150.0000℃；Tc(3)＝102.8963℃；Tc(4)＝102.8963℃；Tc(5)＝150.0000℃；Tc(6)＝200.0000℃；Tc(7)＝102.8963℃；Tc(8)＝150.0000℃；Tc(9)＝200.0000℃；16.最终结论Tc(三层)＝102.8963℃＜Tm(三层)＝443℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构三层仍处于不安全状态。故此钢框架的保护方法为对结构一层、二层和三层进行保护，见图9。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
●实例4某民用单跨三层钢框架的跨度为12m，一、二、三层的层高分别为3m、3m、3m，承受的水平荷载均为300kN，承受的垂直荷载均为100kN，梁截面均为HN396×199，柱截面均为HM588×300，一层为开敞空旷空间，火灾时火源在二层地面钢框架承受的热释放量Q为10MW，参见图6。确定钢框架的保护方法。
计算步骤如下1.确定编制的计算程序基本参数
(1)钢架类型ip1＝4，温度变化情况ip2＝1，ip3＝i p4＝ip5＝ip6＝0；(2)截面类型2；(1表示矩形截面，2表示工字型截面)(3)截面参数工字型cbb＝0.199m；chb＝0.396m；tb1＝0.011m；tb2＝0.007m；cbc＝0.3m；chc＝0.588m；tc1＝0.002m；tc2＝0.012m；(4)梁、柱的长度1＝12m；H1＝3m；H2＝3m；H3＝3m；(5)材料屈服强度随温度变化控制点数MST＝6；(6)材料屈服强度与对应温度第一点CMS(1，1)＝205000；CMS(1，2)＝0；(7)材料屈服强度与对应温度第二点CMS(2，1)＝159000；CMS(2，2)＝300；(8)材料屈服强度与对应温度第三点CMS(3，1)＝100000；CMS(3，2)＝500；(9)材料屈服强度与对应温度第四点CMS(3，1)＝25000；CMS(3，2)＝700；(10)材料屈服强度与对应温度第五点CMS(3，1)＝12000；CMS(3，2)＝800；(11)材料屈服强度与对应温度第六点CMS(3，1)＝2000；CMS(3，2)＝1000；(12)作用力的大小PV1＝100KN；PV2＝100KN；PV3＝100KN；PH1＝300KN；PH2＝300KN；PH3＝300KN；2.确定计算时保护措施 无保护；3.确定杆件初始温度t(i)t(1)＝20℃；t(2)＝20℃；t(3)＝20℃；t(4)＝20℃；t(5)＝20℃；t(6)＝20℃；t(7)＝20℃；t(8)＝20℃；t(9)＝20℃；4.确定杆件温度变化情况it(i)it(1)＝0；it(2)＝1；it(3)＝1；it(4)＝1；it(5)＝1；
it(6)＝0；it(7)＝1；it(8)＝1；it(9)＝0；[注it(i)＝0表示温度不变；it(i)＞0表示温度变化，如果it(1)＝it(3)＞0表示1和3构件温度变化相同。]5.调用编制的计算程序进行临界温度计算；6.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝20℃；Tc(2)＝429.35 77℃；Tc(3)＝429.3577℃；Tc(4)＝429.3577℃；Tc(5)＝429.35 77℃；Tc(6)＝20℃；Tc(7)＝429.3577℃；Tc(8)＝429.35 77℃；Tc(9)＝20℃；7.杆件火灾燃烧时达到的温度特征值Tm(i)采用英、美等国家的计算公式确定火灾燃烧时的特征值计算得出构件的最高温度Tm(℃)一层Tm＝20℃；二层Tm＝485℃；三层Tm＝302℃；8.初步结论Tc(二层)＝429.35 77℃＜Tm(二层)＝485℃Tc(三层)＝429.35 77℃＞Tm(三层)＝302℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构二层处于不安全状态。故采取保护措施如下可采取对结构二层或二层、三层这两种保护措施。计算如下9.进行保护措施计算第二层保护；10.调用编制的计算程序进行临界温度计算；11.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝20℃；Tc(2)＝20℃；Tc(3)＝457.0719℃；Tc(4)＝457.0719℃；Tc(5)＝20℃；Tc(6)＝20℃；Tc(7)＝457.0719℃；Tc(8)＝20℃；Tc(9)＝20℃；12.最终结论Tc(三层)＝457.0719℃＞Tm(三层)＝302℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构一层、二层和三层均处于安全状态。故此钢框架的保护方法为对结构第二层进行保护，见图10。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
(二)双跨单层框架●实例1某石化双跨单层钢框架的跨度均为12m，层高为3m、承受的水平荷载为500kN，承受的垂直荷载均为200kN，梁截面均为HN700×300，柱截面均为HM588×300。火灾时火源在地面钢框架承受的热释放量Q为3.535MW，见图11。确定钢框架的保护方法。
计算步骤1-5同实例1。
6.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝583℃；Tc(2)＝583℃；Tc(3)＝583℃；Tc(4)＝583℃；Tc(5)＝583℃；7.杆件火灾燃烧时达到的温度特征值Tm(i)采用实例1的计算公式计算得出构件的最高温度Tm(℃)Tm＝600℃8.初步结论Tc＝583℃＜Tm＝600℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构处于不安全状态。故采取保护措施如下对柱子进行防火保护。计算如下9.进行保护措施计算柱保护；10.调用编制的计算程序进行临界温度计算；其中it(1)＝0；it(2)＝1；it(3)＝0；it(4)＝1；it(5)＝0；[注it(i)＝0表示温度不变；it(i)＞0表示温度变化，如果it(1)＝it(3)＞0表示1和3构件温度变化相同。
11.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝200℃；Tc(2)＝612℃；Tc(3)＝200℃；Tc(4)＝612℃；Tc(5)＝200℃；
12.最终结论Tc＝612℃＞Tm＝600℃通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较钢框架结构处于安全状态。故此钢框架的保护方法为对柱子进行保护，见图12。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
(四)空间一层框架●实例1某石化空间一层支撑设备的钢框架的跨度为12m，层高为3m，承受的水平荷载均为50kN，承受的垂直荷载均为100kN，梁截面均为HN700×300，柱截面均为HM588×300。火灾时火源在地面钢框架承受的热释放量Q为36MW，如图13。确定钢框架的保护方法。
计算步骤如下1.确定编制的计算程序基本参数(1)钢架类型ip1＝31，温度变化情况ip2＝1，ip3＝ip4＝ip5＝ip6＝0；(2)截面类型2；(1表示矩形截面，2表示工字型截面)(3)截面参数工字型cbb＝0.3m；chb＝0.7m；tb1＝0.024m；tb2＝0.0013m；cbc＝0.3m；chc＝0.588m；tc1＝0.002m；tc2＝0.012m；(4)梁、柱的长度C11＝12m；C12＝12m；CH1＝3m；(5)材料屈服强度随温度变化控制点数MST＝6；(6)材料屈服强度与对应温度第一点CMS(1，1)＝205000；CMS(1，2)＝0；(7)材料屈服强度与对应温度第二点CMS(2，1)＝159000；CMS(2，2)＝300；(8)材料屈服强度与对应温度第三点CMS(3，1)＝100000；CMS(3，2)＝500；(9)材料屈服强度与对应温度第四点CMS(3，1)＝25000；CMS(3，2)＝700；
(10)材料屈服强度与对应温度第五点CMS(3，1)＝12000；CMS(3，2)＝800；(11)材料屈服强度与对应温度第六点CMS(3，1)＝2000；CMS(3，2)＝1000；(12)作用力的大小Px1＝50KN；Px2＝50KN；Py1＝100KN；Py2＝100KN；Pz1＝50KN；Pz2＝50KN；2.确定计算时保护措施无保护；3.确定杆件初始温度t(i)t(1)＝200℃；t(2)＝200℃；t(3)＝200℃；t(4)＝200℃；t(5)＝200℃；t(6)＝200℃；t(7)＝200℃；t(8)＝200℃；4.确定杆件温度变化情况it(i)it(1)＝1；it(2)＝1；it(3)＝1；it(4)＝1；it(5)＝1；it(6)＝1；it(7)＝1；it(8)＝1；[注it(i)＝0表示温度不变；it(i)＞0表示温度变化，如果it(1)＝it(3)＞0表示1和3构件温度变化相同。]5.调用编制的计算程序进行临界温度计算；6.程序计算得出杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝592.2399℃；Tc(2)＝592.2399℃；Tc(3)＝592.2399℃；Tc(4)＝592.2399℃；Tc(5)＝592.2399℃；Tc(6)＝592.2399℃；Tc(7)＝592.2399℃；Tc(8)＝592.2399℃；7.杆件火灾燃烧时达到的温度特征值Tm(i)采用英、美等国家的计算公式确定火灾燃烧时的特征值计算得出构件的最高温度Tm(℃)Tm＝900；8.初步结论Tc(i)＝592.2399℃＜Tm＝900℃(i＝1…8)
通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，钢框架结构处于不安全状态。故采取保护措施如下可采取仅对柱保护、仅对梁保护、梁柱都保护这三种保护措施。分别计算如下9.进行保护措施计算9.1、仅保护柱9.1.1、调用编制的计算程序进行临界温度计算；9.1.2、程序计算得出梁杆件的临界温度Tc(i)Tc(2)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(4)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(5)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(7)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；说明仅对柱保护时，结构仍处于不安全状态。
9.2、仅保护梁9.2.1、调用编制的计算程序进行临界温度计算；9.2.2、程序计算得出柱杆件的临界温度Tc(i)Tc(1)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(3)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(6)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；Tc(8)＝592.2399℃＜Tm＝900℃；说明仅对梁保护时，结构仍处于不安全状态。
10.最终结论通过程序计算出来的临界温度和构件最高温度的比较，此钢框架的保护方法为对结构一层梁柱都进行保护，见图14。涂敷防火涂料或外包混凝土保证钢框架的耐火极限时间为90分钟。
权利要求
1.一种钢框架结构抗火保护的设计选择方法，包括如下步骤(1)根据塑性极限分析理论确定钢框架结构的平面结构或空间结构的基本破坏机构总数N，并设定钢框架结构的各杆件的初始温度；(2)确定目标函数η，η为塑性极限状态时基本破坏机构迭加的内力功与外力功之比，并满足下式η=Σn=1NXnWinΣn=1NXnWen(Xn≥0)]]>设基本破坏机构n的内力塑性功为Win，Win与温度、该温度下钢框架结构控制截面的塑性极限弯矩及破坏机构杆件转角相关，对应的外力功为Wen，Wen与作用在结构边界上的广义外荷载及破坏机构的位移速率相关，N为上述的基本破坏机构总数，Xn为基本破坏机构的转角倍数因子；(3)上述公式中η与变量X1，X2，…，Xn的关系依次为一次非线性关系，优化分析所述非线性问题，通过优化Xn使得迭加机构的塑性铰消失，使得内力功减小，从而获得η的极小值，相应的破坏机构被找到，根据塑性极限分析理论原理该机构对应的临界温度即为钢框架所有可能的破坏机构中的最小值；(4)采用迭代法确定目标函数η的最小值对应的钢框架的临界温度值设定所述钢框架结构的各杆件的温度增量为dt，下一步的温度增量变为(η-1)dt，其中的η为上一步迭代所得，进行迭代优化计算；(5)设定tole为允许精度，dt1为所有构件温度变化量绝对值的累加，迭代收敛准则采用abs(dt1)＜tole或|η-1|＜tole，当迭代计算满足上述两个迭代收敛准则之一时，计算得出钢框架各杆件的临界温度；(6)将计算得出的钢框架各杆件的临界温度与火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值进行比较，以确定是否需要对钢框架进行保护。
2.如权利要求
1所述的方法，所述的允许精度tole值为0.01。
3.如权利要求
1或2所述的方法，所述的内力塑性功Win与钢框架的截面类型、截面参数、钢材的屈服强度及梁、柱的长度有直接关系，外力功Wen与作用在钢框架结构上的外荷载、钢框架的类型及边界条件有关。
4.如权利要求
3所述的方法，对钢框架进行保护采用部分或全部涂敷抗火涂料或外包混凝土。
5.如权利要求
4所述的方法，其中的钢框架结构为单跨单层框架、双跨单层框架、单跨双层框架、单跨三层框架、双向单跨单层空间框架五种结构之一。
6.如权利要求
5所述的方法，所述的钢框架结构为平面钢框架结构或空间钢框架结构，当为空间钢框架结构时，其基本破坏机构数目的确定通过将空间结构分解为双方向的平面结构，再按平面结构分别找出基本破坏结构数叠加为空间结构的基本破坏机构数目。
7.如权利要求
6所述的方法，所述的温度特征值采用英、美通用的计算公式求得或根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS2002006获得。
8.如权利要求
3所述的方法，所述的优化分析非线性问题采用准牛顿的方法进行优化计算。
9.如权利要求
6所述的方法，将空间结构分解为平面结构后，确定相应的梁机构、层机构和节点机构，并进一步确定相应各机构的基本破坏机构数，通过累加获得基本破坏机构总数N。
10.如权利要求
3所述的方法，当计算得出的钢框架各杆件的临界温度大于火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值，验算杆件稳定强度是否满足要求，当满足要求时，钢框架结构安全，不需要做耐火层保护，当不满足要求时，根据计算结果对结构部分或全部做耐火层保护，或加大截面不做保护层。
11.如权利要求
10所述的方法，对钢框架进行保护采用部分或全部涂敷抗火涂料或外包钢筋混凝土。
12.如权利要求
9所述的方法，当计算得出的钢框架各杆件的临界温度大于火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值，验算杆件稳定强度是否满足要求，当满足要求时，钢框架结构安全，不需要做耐火层保护，当不满足要求时，根据计算结果对结构部分或全部做耐火层保护，或加大截面不做保护层。
专利摘要
本发明提供一种钢框架结构抗火保护的设计选择方法，包括如下步骤(1)根据塑性极限分析理论确定钢框架结构的平面结构或空间结构的基本破坏机构总数N；(2)确定目标函数η，η为塑性极限状态时基本破坏机构迭加的内力功与外力功之比；(3)通过优化分析处理获得η的极小值，相应的破坏机构被找到，根据塑性极限分析理论原理该机构对应的临界温度即为钢框架所有可能的破坏机构中的最小值；(4)根据温度的变化量，采用迭代法确定目标函数η的最小值对应的钢框架的临界温度值，通过对迭代结果是否符合规定的迭代收敛准则来计算得出钢框架各杆件的临界温度；(5)将计算得出的钢框架各杆件的临界温度与火灾燃烧时相应杆件所能达到的温度特征值进行比较，以确定是否需要对钢框架进行保护。本方法使结构计算变得简单、有效，适于工程设计中。
文档编号E04B1/62GK1995570SQ200610161954
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月11日
发明者张荣钢, 张宏涛, 王晓纯, 张素枝, 郑建华, 徐秉业, 高建岭, 白玉星, 徐彤, 李园, 刘刚锋, 颜聪枝 申请人:中国寰球工程公司, 北方工业大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan