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2018年4月1日，《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017开始实施，其中包含多项强条，引发了业界关注。大家普遍反映相关计算有些复杂，主要是因为目前尚未有主流设计软件跟进该规范，使得大家在操作时感到有些困难。为此，笔者使用SAP2000的API编制了一款钢结构防火计算插件，能够一键完成冗长的计算流程，让防火计算与设计变得简单。

为便于理解、应用，首先对钢结构防火设计理论作简要介绍，然后对如何应用插件予以说明。

钢结构在火灾下容易破坏的主要原因

（1）钢材在火灾下力学性能大幅退化。温度600℃时，结构钢屈服强度只有常温时的50%；温度700℃时，结构钢屈服强度只有常温时的20%。高强度钢材的力学性能则退化更为严重。

（2）钢材热传导系数大，火灾下升温快。无防火保护的钢构件，在受火15~20min时，即可能达到600℃以上，难以达到《建筑设计防火规范》GB 50016规定的构件耐火极限要求。

提高钢构件耐火极限的主要措施

要大幅提高钢材在高温下的力学性能难度很大，且不经济。因此，目前提高钢构件耐火极限的主要措施是对其进行防火保护。

工程中应用最多的钢构件防火保护方法是涂覆防火涂料，包括非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料，目前前者也常称为厚型防火涂料，后者常称为薄型防火涂料/超薄型防火涂料。

《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249还规定了工程应用的其他钢构件防火保护方法，包括：包覆防火板，浇筑混凝土，砌筑砌块，涂抹砂浆，包覆防火毡等。

以往钢结构防火设计方法

在GB51249-2017实施之前，钢结构防火设计主要根据防火涂料检测报告（按照《钢结构防火涂料》GB 14907测试）。例如：某检测报告中，涂抹了d厚度的防火涂料，构件耐火试验测试得到的耐火极限为2.0小时。则在设计时，对于耐火极限要求为2.0小时的构件，其防火涂料保护层厚度均直接取d。

以上设计方法存在较大的问题，可能造成不安全，或不经济，原因如下：

（1）防火涂料检测报告给出的涂层厚度，是针对特定的构件和指定的荷载比（GB 14907规定采用I36b或I40b工字钢）。但是，实际工程中构件的截面、构件的荷载比，一般都不同于GB 14907规定。

（2）构件的荷载比是影响构件耐火时间的主要因素之一。显而易见，当构件的荷载比为0时，火灾下构件不会出现破坏，除非熔化；当构件的荷载比接近于1时，温度较低的时候，构件就会出现破坏。因此，抗火设计应考虑构件的实际受力情况（荷载比）。

（3）构件的截面形状系数是影响构件耐火时间的主要因素之一。构件的截面形状系数为：截面周长与截面面积之比，表征了构件的厚实程度。显而易见，钢板越薄，截面形状系数越大，火灾下升温越快，耐火极限越小。

抗火设计方法与计算流程

（1）关于荷载组合

根据GB51249第3.2.3条，绝大多数钢结构不需要采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。

按照GB51249第3.2.5条，对于受弯构件、拉弯构件和压弯构件等以弯曲变形为主的构件，可不考虑热膨胀效应，且火灾下构件的边界约束和在外荷载作用下产生的内力可采用常温下的边界约束和内力，计算构件在火灾下的组合效应。

根据以上，可极大简化钢框架等结构的抗火设计。按第3.2.2条进行抗火荷载组合时，可忽略温度内力项，直接采用常温下的各工况的内力，考虑抗火分项系数进行组合。对此，现有的设计软件，均可满足使用要求。

（2）抗火设计方法

按第3.2.6条，钢结构构件的耐火验算和防火设计，可采用承载力法或临界温度法。这两种方法的使用流程如下：

承载力法

1.确定防火保护方法，设定防火保护层厚度（可设定为无防火保护）；

2.按第6章，计算构件温度【由本插件计算】；

3.按第5.1节，确定高温下钢材的力学参数【由本插件计算】；

4.按第3.2.2条，计算构件荷载效应组合【由SAP2000计算】；

5.按第7.1节，验算构件耐火承载力【由SAP2000计算】；

6.当防火保护层厚度过小或过大时，调整厚度，重复上述步骤。

临界温度法（注：此项功能待下一步开发）

1.按第3.2.2条，计算构件荷载效应组合；

2.计算火灾下构件的荷载比；

3.按第7.2节，计算构件的临界温度；

4.按第7.2.8、7.2.9条计算防火保护层的厚度。

从以上可见，在不需要考虑温度内力的情况下，临界温度法的应用是比较方便的。现有的设计软件，可直接计算火灾下构件的荷载比；然后查7.2节表格即可得到临界温度，然后用7.2.8/7.2.9条的公式计算厚度。7.2.8/7.2.9条的公式为显式公式，不需要迭代计算，应用时较为简便。

（3）构件归类

对每个构件都给出不同的防火保护厚度，显然是难以实施的。为了简化设计和便于施工，有必要对构件按照楼层、构件截面等进行适当归类，取其最不利的结果作为该归类集合组构件的防火保护厚度。

插件功能模块组成

现插件包含两个模块：

（1）“承载力法”钢构件抗火计算；

（2）钢—混凝土组合梁抗火设计（规范8.3节）

插件安装

（1）双击msi文件，一路按照默认安装完成；

（2）打开SAP2000对应版本，点击菜单栏中的Tools标签，选择Add/show Plug ins，在Plug in Name中输入firecal2_v17（或firecal2_v19），Menu Text输入任意名称，例如“防火计算插件”，点击右边Add按钮，Status变为OK即安装成功，Tools下拉菜单中将出现这个插件。

模块1：钢构件抗火设计

打开插件，主界面如下：

首先在窗口中选中需要计算的一根构件，使其处于高亮状态。

在主界面中选择、填入各项参数，有无防火保护均可计算，保护类型包括规范中的非轻质防火保护层、膨胀型防火涂料、非膨胀型防火涂料以及笔者自己加的C20混凝土，截面类型包括工字钢、箱型截面和圆管。

选择不同的涂料类型时，下拉框和填框会自动根据计算方法不同变为可填或不可填状态，需根据6.2节相关参数的解释把可填的地方全部填上参数（注意单位），然后点击“生成”，即可马上根据所选构件的截面参数、材料本构计算出钢构件的升温值以及本构折减情况，弹框显示，并将该构件的材料本构修改为受火后的本构，便于有限元计算。

在钢构件的升温计算中（6.2.1、6.2.2节），规范中采用了一种时间增量迭代的方法，经校核，增量步取1~5s，结果都没有太大差异，在本插件中增量步统一取为1s。规范6.2.3节同时提供了一种轻质防火保护层的升温近似算法（本插件未采用），跟增量迭代法进行比较后发现，误差一般不超过10%。

模块2：钢与混凝土组合梁抗火设计

选择“钢—混凝土组合梁抗火设计”标签，窗口变为以下：

依然首先在模型中选择一根构件，然后按照规范8.3节中的内容选择或输入各项参数，点击“验算”即可弹出各项计算结果。

在规范中，塑性中和轴的位置有三种情况：混凝土翼板内、钢梁上翼缘内、钢梁腹板内，程序中将其命名为一类、二类、三类截面，能够自动判断并应用相应的计算公式。

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