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微信扫一扫1. STWJ防火内力的计算方法
PKPM网架网壳管桁架设计模块（简称STWJ）是一个专用于设计大跨空间结构的模块。功能支持从建模、计算到出图的全流程正向设计。其中，防火设计是STWJ的一项特色功能。
STWJ防火计算主要参考《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）。因为网架杆件以承受轴心拉、压力为主，根据条文3.2.5，程序计算防火时自动考虑了热膨胀效应对内力的影响。杆件内力计算公式为：
F=EsTA·α·ΔT
EsT=χsTE
高温下钢材的弹性模量折减系数χsT按照防火规范式5.1.3-2计算，高温下耐火钢的弹性模量折减系数χsT按照防火规范式5.1.5计算。
《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）式5.1.3-2
《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）式5.1.5
杆件的温差值ΔT取设计耐火极限内构件最高温度Tm（℃）与初始构件温度Ts0（℃）的插值。Tm值按照防火规范6.2.1或6.2.2进行计算，部分参数值可在防火设计参数页面下定义。
图1 防火设计参数（一）
图2 防火设计参数（二）
以两端固定的76*4截面圆管构件为例。构件的防火验算结果如下图所示，程序输出的Tm值为943.2℃。
图3 构件防火验算信息（截取部分）
根据防火规范式5.1.3-2，修正系数χsT的计算结果为0.0198。防火工况下固端力的温度荷载轴力的计算为：
F=0.0198x2.06x105x904.8x1.4x10-5x（943.2-20）=47.85KN
图4 程序输出的防火温度工况轴力结果
由图可见，计算结果与程序输出结果接近。
程序根据《网架与网壳》（沈祖炎，陈扬骥著）中的空间杆系有限元法，计算出网架各杆件防火工况的固端力后，再计算各个节点上固端力引起的不平衡力，考虑边界条件后求得节点不平衡力引起的杆件内力，输出最终的防火工况内力结果。
2. 高大空间建筑升温曲线功能
2.1高大空间建筑升温曲线介绍
《建筑钢结构防火技术规范》中6.1.1-1采用的火灾升温曲线为现行国家标准《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》GB/T 9978.1中所采用的升温曲线，与国际标准ISO 834-1：1999相同。但标准火灾升温曲线与高大空间升温曲线的差异甚大。
图5 一般室内火灾与高大空间火灾的升温曲线比较
《建筑钢结构防火技术规范》中6.1.1-2采用的是碳氢（HC）升温曲线，该曲线与标准火灾升温曲线相比，前期的升温更快，火灾开始后的30分钟内便达到最高温度，最终温度和标准火灾升温曲线的最终温度较为接近。
图6标准火灾升温曲线与碳氢（HC）升温曲线的比较
综上所述，《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249-2017)的两种升温曲线都无法较好的反应高大空间建筑的火灾升温过程。因此，程序参考《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)增加了高大空间建筑升温曲线的功能。
根据《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)，高大空间是指高度不小于6m，独立空间地（楼）面面积不小于500㎡的建筑空间。其特点是空间大，难以产生轰燃，因而室内温度的上升不是十分迅速，烟气的最高温度也可能不是很高。但规范也指出，该限值的设定是偏于保守的。高大空间建筑火灾升温曲线公式为：
2.2 STWJ生成高大空间建筑升温曲线功能介绍
程序中设定高大空间建筑火灾升温曲线的功能位置如下图所示。
图7 定义高大空间建筑升温曲线的功能位置
勾选高大空间建筑升温曲线的功能后，右侧计算升温曲线的按钮会亮起。点击按钮，进入高大空间升温曲线的参数设置页面。
图8 高大空间升温曲线的参数设置页面
用户输入各项参数后，点击左下侧的重新计算曲线按钮，程序即会自动按照公式计算出升温曲线。但各项参数中，设计师较难精确给出与火源中心水平距离X、火源形状中心至火源最外边缘距离b这两项参数，而这两项参数又是生成曲线的关键。为忽略掉这两个参数对曲线的影响，程序提供了曲线的简化算法，即：
取=1
可以证明，该等式左侧的值不大于1。当设计师无法确定X、b的具体取值时，勾选按不利考虑，程序将对该式取值为1，生成较保守的升温曲线。
曲线计算完成后，页面下侧会绘制出升温曲线的线形，右侧则给出对应的坐标值。
根据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）条文说明6.1.3，基于火灾释放热量相等的原则时，高大空间升温曲线和标准升温曲线求出的等效曝火时间te误差较大。因此，使用高大空间曲线进行防火设计验算时，程序将直接采用《建筑钢结构防火技术规范》的6.2.1或6.2.2计算钢构件的最高温度Tm。
3. 高大空间防火计算案例
3.1 机库案例的基本参数
以某机库项目为例。机库跨度110m，进深（含机库大门）80m，采用三边支承一边开口，开敞边设置大门桁架。
模型施加的荷载值为：
1. 上弦恒荷载（不含网架自重）：0.95KN/m2
2. 上弦活荷载：0.50KN/m2
3. 吊车荷载若干
4. 基本风压：0.35KN/m2
建筑的耐火等级为1级，钢构件耐火极限为1.5h，防火设计方法选择承载力法。由于网架以轴心受力构件为主，不考虑弯曲变形，因此防火内力折减系数取1。其余钢材参数见总体信息。
防火涂料采用膨胀型防火涂料，等效热阻为0.25（m2*℃/w），采用外边缘型保护。防火荷载组合见原则组合列表（耐火等级为1级时，程序自动考虑1.1结构重要性系数）。
3.2 采用标准升温曲线时计算结果
当采用标准升温曲线时（温度折减系数取1，即不折减），由于计算的钢构件最高温度Tm较大，防火温度工况内力较大导致防火不满足构件非常多，不符合高大空间网架的常理。
3.3 采用高大空间升温曲线时计算结果
采用高大空间升温曲线时，需要按照《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)输入计算曲线的各项参数。
1）火源功率类型
案例假设飞机在机库时，飞机油箱内存留未清空的1吨航空燃油。防火设计时，将此航空燃油当作可燃物。
根据工艺条件，航空燃油的燃烧值约为45000KJ/kg，因此火灾发生时的总燃烧值为：
45000×1000=4.5×107KJ
钢构件的耐火极限时间为1.5h，因此火源功率为：
4.5×107÷5400×10-3=8.3MW
根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS200-2006第6.2.3条，火灾为中功率火灾。
2）火灾增长类型
本案例防火按不利考虑，取火灾增长类型为快速型。
3）火源范围
1吨燃油体积约为1.28m3，当燃油全部泄漏时，假设燃油堆积厚度为3cm，着火范围约为43m2，火源形状中心至火源最外边缘的距离b=3.7m。
4）与火源中心水平距离
本案例中，机库的停机位数量较多，飞机油箱位置均匀分布在机库的平面空间中，因此与火源中心水平距离X按不利考虑取值为0。
5）地面面积
110×80=8800m2，大于6000m2取6000m2。
高大空间升温曲线的其他参数如图所示。
当采用高大空间升温曲线时，防火温度工况内力远小于采用标准升温曲线时的内力。防火验算结果全部通过。
