SAP2000与IDEA钢结构防火设计
朱新达张治国
随着《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017（以下简称《防火规范》）的颁布，钢结构的防火设计越来越受到重视。一般情况下，钢材加热温度在200℃以内时，主要力学性能变化不大，钢材具有良好的耐热性能。但当钢材加热温度超过600℃时，材料强度和弹性模量迅速下降，结构承载能力逐渐丧失，直至倒塌破坏。因此，钢结构的防火设计可以保证火灾下结构的安全可靠性，对于预防和减少建筑钢结构的火灾危险，保障生命财产安全极为重要。
根据《消防规范》第3.2.6条规定，钢结构的防火设计可以采用耐火极限法、承载力法或临界温度法。本文以承载力法为例钢结构通讯设计，重点介绍钢结构构件、节点的防火设计要点及其在SAP2000、IDEA软件中的实现方法。承载力法是指在设计耐火极限时间内，火灾下钢结构构件的承载力设计值不应小于最不利荷载（作用）组合效应值，即：Rd≥Sm。
1.钢结构防火设计要点
采用承载力法进行钢结构防火设计的基本思路是：
1、根据可燃物种类选择火灾温升曲线，确定任意时刻热烟气平均温度；
2、根据有无保护层、保护层类型计算钢构件的温度；
3、根据钢构件的温度计算钢材的强度设计值和高温弹性模量；
4.结构分析中同时考虑钢材的热膨胀效应和刚度降低；
5、根据钢构件的温度计算高温下轴心受压构件和受弯构件的稳定系数；
6.按钢结构抗火承载能力极限状态的最不利荷载（作用）效应组合验算钢构件的强度和稳定性。
1.1钢构件火灾温升曲线及温度值
普通建筑室内火灾的温升曲线可按《消防规范》第6.1.1条规定确定：对于主要涉及纤维类物质的火灾，t时刻热烟气平均温度为Tg=Tg0+345lg（8t+1）；对于主要涉及碳氢化合物物质的火灾，Tg=Tg0+1080×（1-0.325et/6-0.675e-2.5t）。其中，Tg0为火灾发生前室内环境温度，可取为20℃。
1.2 钢材的高温设计强度和弹性模量
上述钢材弹性模量的降低，在结构分析中影响结构的变形和内力；强度设计值的降低，在结构设计中影响构件的应力比。
1.3 抗火极限状态的最不利荷载组合
钢结构抗火承载能力极限状态最不利荷载（作用）效应组合设计值，应考虑火灾时结构上可能同时受到的荷载（作用），并按下列组合中最不利值确定。
1.4钢结构构件抗火计算-承载力法
2.SAP2000钢结构构件防火设计
基于SAP2000钢结构分析与设计，筑信达工具箱CiSApps以API插件的形式提供了钢结构构件防火设计功能，如图1所示。插件可以自动计算钢构件的温度、自动降低钢材的弹性模量和强度设计值、自动调整钢结构设计的相关参数。
图 1：CiSApps，住信达工具箱
调用上述防火插件前需在SAP2000中完成钢结构常温分析设计，目前防火规范中的设计方法为一阶法，因此用户在《钢结构设计规范中文版2018》中应选择“有限一阶”方法，如图2所示。
图2：钢结构防火设计的一级方法
在SAP2000中，选择需要进行防火设计的杆件或物体组，输入[构件温度及本构计算]参数，如图3所示。
图3 选择元件并输入计算参数
勾选【添加荷载组合】，根据需要设置组合参数。插件根据《防火规范》第3.2.2条自动生成抗火极限状态最不利荷载组合。最后点击【生成防火模型】即可创建新的SAP2000模型。防火模型与常温计算模型有以下区别：
1、自动定义载荷模式钢结构通讯设计，指定温度载荷并根据构件温度定义温度条件；
2、根据组件温度修改材料的弹性模量；
3、根据部件温度修改设计覆盖项中该部件的强度设计值；
4. 根据构件温度修改设计覆盖中的轴心受压构件和受弯构件的稳定系数φ和φb。
最后，重新对防火模型进行结构分析与结构设计，完成钢结构构件的防火设计。
3.IDEA钢结构节点防火设计
根据《防火规范》第3.1.3条规定，钢结构节点的防火应与所连接构件中防火要求最高的构件相同。IDEA作为专业的钢结构节点分析设计软件，自v22.1版本开始增加了防火设计功能。用户在SAP2000中完成防火模型的结构分析后，选中目标节点导入IDEA即可完成钢结构节点的防火设计。关于SAP2000与IDEA的BIM接口的更多信息，请参考筑信达知识库文档《》。
IDEA可依据欧洲、美国或加拿大标准自动计算高温下钢板、螺栓及焊缝的材料退化效应。以欧洲标准EN 1993-1-2为例，钢材在高温下的应力-应变曲线θ如图4所示，在比例极限fp,θ之前为线弹性，在比例极限fp,θ与屈服强度fy,θ之间为弹塑性，在屈服强度fy,θ之后为理想塑性，存在强度下降段。与上述SAP2000中钢结构构件的防火设计不同，IDEA采用弹塑性分析计算钢板的应力/应变、螺栓内力及焊缝应力，但在实际计算中忽略了应力-应变曲线的下降段，如图5所示。
图7 元件的温度值与材料类型
4. 总结
本文简单介绍了钢结构防火设计的技术要点，包括火灾温升曲线、钢构件温升计算、构件承载力校核方法等。筑信达工具箱CiSApps可以为用户提供基于SAP2000的钢结构构件防火设计功能。IDEA可以为用户提供钢结构节点防火设计功能，但目前仅限于欧洲、美国和加拿大标准，即将支持中国标准。
参考
[1] 建筑钢结构防火技术规范 GB 51249-2017
[2] 钢结构设计标准GB 50017-2017
[3] 欧洲规范 3：钢结构设计—第 1-2 部分：一般规则—结构防火设计
