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欧标钢结构抗火临界温度

钢结构抗火设计需要确定构件在火灾作用下能够维持承载力的温度范围。随着钢材温度升高，构件承载力逐渐降低；当承载力降至与火灾设计作用效应相等时，相应的钢材温度称为临界温度。对于采用膨胀型防火涂料保护的构件，临界温度是确定涂层干膜厚度的一项输入参数。
本文采用 EN 1993-1-2:2005 第 4.2.4 节的计算方法，以一根 HEA 140 简支梁为例，计算剪切和弯曲对应的临界温度，并介绍 RFEM 6 中的设置与结果查看方法。

火灾设计状况下，构件的作用效应由相应的偶然作用组合确定，高温承载力则根据钢材性能的折减计算。采用承载力法时，验算关系为：

其中，  为火灾设计作用效应，  为受火时间   对应的承载力设计值。对于温度均匀、由截面强度控制的构件，可以进一步采用温度法，将规定耐火时间内的钢材温度与临界温度比较：

这里的   是受火后钢材自身的温度。升温计算根据火灾曲线、受火方式和防火保护条件确定该温度，临界温度计算则给出构件在既定火灾设计作用下的承载温度限值。

由利用率确定临界温度

火灾初始时刻的利用率定义为：

 为   时的承载力设计值，计算时采用常温材料性能和火灾设计的材料分项系数  。这一比值反映了火灾设计作用对初始承载力的占用程度。

根据 EN 1993-1-2:2005 式（4.22），临界温度按下式计算：

式中   为自然对数，临界温度的单位为 ℃。在适用范围内，利用率越高，临界温度越低。例如，利用率由 0.30 增至 0.60 时，按上式计算的临界温度由约 663.8 ℃ 降至 554.3 ℃。因此，构件的荷载水平会直接影响防火设计采用的温度限值。临界温度的函数曲线如下所示：

算例参数

本文取一根跨度为 2.0 m 的简支钢梁，沿全跨承受均布荷载。梁采用 S235 钢和 HEA 140 截面，按弹性方法验算。本例假定梁具有足够的侧向约束，侧扭屈曲与变形均不控制。计算参数如下。

本例永久线荷载总值取  。在 RFEM 中，杆件自重与附加永久线荷载之和取该值。火灾组合采用  ，得到均布荷载：

其中   为可变作用的准永久值系数。工程中的组合系数按荷载类别及所采用的国家附录确定。

简支梁的最大剪力位于支座，最大弯矩位于跨中：

剪切对应的临界温度

采用弹性剪应力公式计算腹板中性轴处的最大剪应力：

火灾初始时刻的剪切强度设计值为：

剪切对应的利用率由两者之比求得：

将利用率代入临界温度公式：

弯矩对应的临界温度

跨中截面外缘的最大弯曲正应力为：

采用  ，火灾初始时刻的钢材屈服强度设计值为  ，相应利用率为：

由此得到弯曲对应的临界温度：

该梁在支座处弯矩为零，在跨中剪力为零。按本例的简支条件与均布荷载分布，跨中弯曲正应力起控制作用，构件取较低的临界温度：

RFEM 结果对比

在 RFEM 6 中启用“钢结构设计”模块后，我们可以为待验算杆件指定承载能力极限状态配置和抗火配置，并建立相应的火灾设计状况。在承载能力极限状态配置中启用“弹性设计”，使软件采用与上述计算一致的弹性截面验算方法。

随后，在抗火配置的“基本”选项卡中，启用按 EN 1993-1-2 第 4.2.4（2）条计算临界温度的选项。

计算完成后，可在“验算详细信息”中查看各项截面验算的利用率、公式及临界温度，并定位控制构件和控制位置。

RFEM 6 也会检查截面类别和最小利用率等条件，并给出相应提示。