本节介绍主要的建筑结构形式以及各种建筑结构耐火性能的特点、影响建筑结构耐火性能的主要因素、火灾下建筑结构及构件极限状态的定义、建筑结构耐火时间计算模型的选取方法及计算步骤、钢结构和混凝土结构的耐火时间计算方法、整体结构耐火时间计算的方法和步骤等。
一、影响建筑结构耐火性能的因素
（一）结构类型
1. 钢结构
钢结构是由钢材制作的结构，包括钢框架结构、钢网架结构和钢网壳结构、大跨交叉梁系结构。钢结构具有施工机械化程度高、抗震性能好等优点，但钢结构的最大缺点是耐火性能较差，需要采取涂覆钢结构防火涂料等防火措施才能耐受一定规模的火灾。在高大空间等钢结构建筑中，在进行钢结构耐火性能分析的基础上，如果火灾下钢结构周围的温度较低，并能保持结构安全时，钢结构可不必采取防火措施。
2. 钢筋混凝土结构
钢筋混凝土结构是在混凝土中配置钢筋形成的结构，混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，两者共同承担荷载。当建筑结构耐火重要性较高，火灾荷载较大、人员密度较大或建筑结构受力复杂时，钢筋混凝土结构的耐火能力也可能不满足要求。例如，地铁车辆段上盖开发建筑的盖体结构就需要进行钢筋混凝土结构及构件的耐火性能评估，确定结构的耐火性能是否满足要求。
3. 钢-混凝土组合结构
（1）型钢混凝土结构。型钢混凝土结构是将型钢埋入钢筋混凝土结构形成一种组合结构，截面形式如图 5-4-13 所示。适合大跨、重载结构。由于型钢被混凝土包裹，火灾下钢材的温度较低，型钢混凝土结构的耐火性能较好。
（2）钢管混凝土结构。钢管混凝土结构是由钢和混凝土两种材料组成的，它充分发挥了钢和混凝土两种材料的优点，具有承载能力高、延性好等优点。钢管混凝土结构中，由于混凝土的存在可降低钢管的温度，因此钢管的温度比没有混凝土时要低得多。一般情况下，钢管混凝土结构中的钢管需要进行防火保护。钢管混凝土柱截面如图 5-4-14 所示。
（二）荷载比
荷载比为结构所承担的荷载与其极限荷载的比值。火灾下，结构承受的荷载总体不变，而随温度升高，材料强度降低，构件的承载能力降低。当构件的荷载达到极限荷载时，构件就达到了火灾下的承载能力以及耐火极限状态，开始倒塌破坏，这时的耐火时间为耐火极限。荷载比越大，构件的耐火极限越小，荷载比是影响结构及构件耐火性能的主要因素之一。
（三）火灾规模
火灾规模包括火灾温度和火灾持续时间。火灾高温是构件升温的主要原因，它通过对流和辐射两种传热方式将热量从建筑内的空气向构件传递。作为构件升温的驱动者，火灾规模对构件温度场有明显的影响。当火灾高温持续时间较长时，构件的升温也较高。
（四）结构及构件温度场
温度越高，材料性能劣化越严重，结构及构件的温度场是影响其耐火性能的主要因素之一。材料的热工性能直接影响构件的升温快慢，从而决定了火灾下结构及构件的温度场分布。
二、结构耐火性能分析的目的及判定标准
结构耐火性能分析的目的就是验算结构和构件的耐火性能是否满足现行规范要求。结构的耐火性能分析一般有两种方法：第一种方法是验算结构和构件的耐火极限是否满足规范的要求；第二种方法是验算在规范规定的耐火极限时的火灾温度场作用下，结构和构件的承载能力是否大于荷载效应组合。这两种方法是等效的。
（一）耐火极限要求
构件的耐火极限要求应符合 《建筑设计防火规范》 （GB 50016-2014）及其他相关国家标准的规定。
（二）构件抗火极限状态设计要求
火灾发生的概率很小，是一种偶然荷载工况。因此，火灾下结构的验算标准可放宽。火灾下只进行整体结构或构件的承载能力极限状态的验算，不需要正常使用极限状态的验算。构件的承载能力极限状态包括以下几种情况：
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。
对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构，还要进行整体结构的承载能力验算。
三、计算分析模型
抗火验算时建筑结构耐火性能计算（一般也可称为抗火验算）一般有三种方法：第一种方法是采取整体结构的计算模型；第二种方法是采取子结构的计算模型；第三种方法是采取单一构件计算模型。《建筑钢结构防火技术规范》 (CB 51249-2017)中要求，所有钢结构均需要进行构件的抗火验算，预应力钢结构和跨度不小于120m的大跨钢结构还应补充进行整体结构的耐火验算，跨度不小于60m的大跨钢结构还应补充进行整体结构的耐火验算，通过抗火验算确定防火保护层厚度。
在实际建筑结构中，构件总是和其他构件相互作用，独立构件是不存在的。因此，研究构件的耐火性能还需要考虑构件的边界条件。欧洲规范规定，进行构件耐火性能分析时，构件的边界条件可取受火前的边界条件，并在受火过程中保持不变。
整体结构耐火性能评估模型是一种高度非线性分析，计算难度较高，需要由专门机构和专业人员完成。
四、建筑结构耐火性能分析的内容和步骤
建筑结构耐火性能分析包括温度场分析和高温下结构的安全性分析。建筑火灾模型和建筑材料的热工参数是进行结构温度场分析的基础资料。同样，高温下建筑材料的力学性能是建筑结构高温下安全性分析的基础资料。同时，进行建筑结构高温下安全性分析还需要确定火灾时的荷载。确定上述基础材料之后，就可按照一定的步骤进行高温下结构的抗火验算了。
（一）结构温度场分析
确定建筑火灾温度场需要火灾模型。我国 《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）提出，可采用 ISO834 标准升温曲线作为一般建筑室内火灾的火灾模型。由于建筑室内可燃物数量和分布、建筑空间大小及通风形式等因素对建筑火灾有较大影响，为了更加准确的确定火灾温度场，也可采用火灾模拟软件对建筑火灾进行数值模拟。
确定火灾模型之后，即可对建筑结构及构件进行传热分析，确定在火灾作用下建筑结构及构件的温度。进行传热分析，需要已知建筑材料的热工性能。国内外对钢材、钢筋和混凝土材料的高温热工性能、力学性能进行了大量的研究。在进行构件温度场分布的分析时，涉及的材料热工性能有三项，即导热率、质量热容和质量密度，其他的参数可以由这三项推导出。
1. 钢材
高温下钢材的有关热工参数见表 5-4-11。
2. 混凝土
高温下普通混凝土的有关热工参数可按下述规定取值。
热传导率可按下式取值；
质量热容应按下式取值；
混凝土的密度为：
（二）材料的高温性能
1. 混凝土
高温下普通混凝土的轴心抗压强度、弹性模量应按下式确定，即：
2. 钢材
在高温下，普通钢材的弹性模量应按下式计算，即：
高温下钢材的热膨胀系数可取1.4×10-5m/℃。
在高温下，普通钢材的屈服强度应按下式计算，即：
（三）火灾极限状态下荷载效应组合
火灾作用工况是一种偶然荷载工况，可按偶然设计状况的作用效应组合，根据《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)，采用下列较不利的设计表达式，即：
（四）结构构件抗火验算基本规定
1. 耐火极限要求
构件的耐火极限要求与 《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）及其他国家标准一致。
2. 构件抗火极限状态设计要求
基本承载能力极限状态的要求，根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017），钢构件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：
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tm，即：
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：
对钢结构来说，上述三条标准是等效的。由于钢构件温度分布较为均匀，因此，钢结构构件验算时采用上述第③条的最高温度标准，混凝土构件可采用前面两条标准。需要注意的是，这里说的钢结构临界温度与结构上荷载大小和破坏模式都有关，不是我们日常说的钢材临界温度。
3.构件抗火验算步骤
（1）采用承载力法进行单层和多、高层建筑钢结构各构件抗火验算时，其验算步骤如下：
1）设定防火保护层厚度。
2）计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。
3）计算结构构件在外荷载作用下的内力。
4）进行荷载效应组合。
5）根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。
6）当设定的防火保护层厚度不合适时(过小或过大)，可调整防火保护层厚度，重复上述（1~5）步骤。
（2）采用承载力法进行单层和多高层混凝土结构各构件抗火验算时，其验算步骤如下：
1）计算构件在要求的耐火极限下的内部温度。
2）计算结构构件在外荷载作用下的内力。
3）进行荷载效应组合。
4）根据构件和受载的类型，进行构件抗火承载力极限状态验算。
5）当设定的截面大小及保护层厚度不合适时(过小或过大)，可调整截面大小及保护层厚度，重复上述①～④步骤。
4. 钢结构构件抗火验算
这里只介绍《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249-2017）规定的高温下承载能力验算的方法，火灾下钢构件的验算几临界温度计算方法可参考该规范。
（1）高温下，轴心受拉钢构件或轴心受压钢构件的强度应按下式验算，即：
（2）高温下，轴心受压钢构件的稳定性应按下式验算，即：
（3）高温下，单轴受弯钢构件的强度应按下式验算，即：
（4）高温下，单轴受弯钢构件的稳定性应按下式验算，即：
（5）高温下，拉弯或压弯钢构件的强度应按下式验算，即：
（6）高温下，压弯钢构件的稳定性应按下式验算：
5.钢筋混凝土构件抗火验算
目前，尚没有国家标准提出钢筋混凝土构件的抗火验算方法，钢筋混凝土构件的抗火验算一般依据通用的非线性有限元方法进行计算。
6.整体结构抗火验算
（1）整体结构抗火极限状态 整体结构的承载能力极限状态如下：
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。对于一般的建筑结构，可只验算构件的承载能力，对于重要的建筑结构，还要进行整体结构的承载能力验算。
（2）整体结构抗火验算原理。前面给出的规范抗火设计方法是基于计算的抗火设计方法，要求结构的设计内力组合小于结构或构件的抗力。在火灾高温作用下，结构的材料力学性质发生较大变化。基于防火设计性能化的要求，对于一些复杂且重要性高的建筑结构，需要考虑高温下材料本构关系的变化、结构的内力重分布、整体结构的倒塌破坏过程，这就需要对火灾下建筑结构的行为进行准确确定。对火灾下建筑结构的内力重分布、结构极限状态及耐火极限的确定，需要采用基于性能的结构耐火性能计算方法。整体结构耐火性能计算方法需要采用非线性有限元方法完成。
整体结构耐火性能计算的一般步骤如下：
1）确定材料热工性能及高温下材料的本构关系和热膨胀系数。
2）确定火灾升温曲线及火灾场景。
3）建立建筑结构传热分析和结构分析有限元模型。
4）进行结构传热分析。
5）将按照火灾极限状态的组合荷载施加到结构分析有限元模型，进行结构力学性能非线性分析。
6）确定建筑结构整体的火灾安全性。
7）按照要求进行构件的验算。
（3）钢结构及钢筋混凝土结构整体结构抗火验算的具体步骤。对单层和多、高层建筑钢结构整体抗火验算时，其验算步骤如下：
1）设定结构所有构件一定的防火保护层厚度。
2）确定一定的火灾场景。
3）进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析。
4）荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求。
5）当设定的结构防火保护层厚度不合适时（过小或过大），调整防火保护层厚度，重复上述 ①～④ 步骤。
（4）对单层和多高层钢筋混凝土结构整体抗火验算时，可采用如下步骤：
1）确定一定的火灾场景。
2）进行火灾温度场分析及结构构件内部温度分析。
3）荷载作用下，分析结构整体和构件是否满足结构耐火极限状态的要求。
4）当整体结构和构件承载力不满足要求时，调整截面大小及其配筋，重复上述 ①～③ 步骤。
思考题
1. 建筑性能化防火设计的主要内容有哪些？
2. 什么是火灾场景，应如何设定？
3. 烟气流动的驱动作用包括哪几种？
4. 烟气流动几种计算模型的选用原则是什么？
5. 影响人员安全疏散的因素可以分为哪几类？
6. 从火灾发生到人员疏散到安全区域的所需疏散时间tRSET计算中包含哪几部分？
7. 常用的建筑结构有哪几种？它们的耐火能力怎样？
8 .影响构件耐火能力的主要因素有哪些？
9. 火灾下构件有哪几种极限状态？
10. 火灾下的荷载效应怎样进行组合？
11. 建筑结构抗火验算的计算模型有哪些？
12. 整体结构抗火计算的一般步骤有哪些？
13. 钢结构整体抗火计算的步骤有哪些？
参考文献
[1] 过镇海，时旭东. 钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京:清华大学出版社.2003.
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[3] 时旭东，过镇海.高温下钢筋混凝土框架的受力性能试验研究[J].土木工程学报，2000, 33 (1): 36 - 45
