土木工程专业结构抗火课程建设探索与实践  PDF

课程的培养层次是大学本科，课程名称为结构抗火设计基本原理，24学时，1.5学分。开课目的，一是开阔本科生专业视野，提高专业技能；二是让本科生掌握结构抗火设计的基本方法，培养结构抗火设计的能力。侧重介绍结构抗火的基础知识、基本原理和实用方法等内容，结合《建筑钢结构防火技术规范》（GB 51249—2017），讲述结构抗火设计中的参数取值和方法选择。

（1）熟悉火灾的升温过程，掌握结构抗火的基本知识；熟悉结构火灾下的受力特点；掌握结构构件抗火的基本方法；能够对基本结构构件在火灾下的温度和受力进行分析和计算，并能建立相应的力学模型并求解；（2）能应用相关知识，综合分析影响构件抗火性能的各种因素，对复杂工程问题的解决方案加以比较和综合，具备优选结构体系，防火保护方案、材料、施工工业的能力；并能通过恰当的工程语言加以表述；（3）能根据结构抗火性能的特点，在具有特定需求的结构体系中加以利用和创新，设计火灾下安全可靠的体系或构件。为实现上述课程目标，根据教学内容制定的课程教学计划如表1所示。

高温下结构材料特性是结构抗火课程的基础和重要内容，主要介绍钢材和混凝土在高温下强度、弹性模量、应力-应变关系模型等与温度的关系。材料高温力学性能参数的取值是结构抗火设计的基础，在讲述高温下结构材料特性这章内容时，重点介绍结构材料的物理性能和力学性能指标的取值，物理性能指标包含比热、热传导系数、热膨胀系数等，力学性能指标包含强度、弹性模量、应力-应变关系、蠕变等。获得材料高温特性的方法主要是试验，有热工参数测量试验，高温拉伸试验，高温蠕变试验等。为了提升学生对科研的兴趣，课堂上穿插讲述高温拉伸试验如何确定拉伸速率、如何精确测量试验中的温度和应变，测量应变时常常出现高温引伸计滑移或达到了量程而试件尚未破坏，如何进行调整和数据处理等，并把相应的试验照片和试验结果展示出来，这些内容的设计可为学生继续深造奠定基础。

在讲述高温下结构构件的升温计算时，介绍了计算钢构件升温的六种计算模型：（1）无防火保护的均匀升温；（2）有轻质防火保护的均匀升温；（3）有非轻质保护层的均匀升温；（4）无防火保护的非均匀升温；（5）有轻质防火保护的非均匀升温；（6）有非轻质保护层的非均匀升温。图1为无防火保护的均匀升温和无防火保护的非均匀升温两种典型情况的升温曲线。课堂教学主要介绍前两种模型的计算原理和公式，即集中热容法和温度增量公式。针对计算非均匀升温情况，结合抗火试验中测量的温度曲线，介绍有限元热分析及如何对得到的结果进行判断，通过试验结果和有限元模拟分析的对比，考察参数取值，例如比热对结果的影响程度，并对分析结果的关键特征进行探索，由于钢材在700℃附左右时比热迅速增加，因而分析钢构件升温时，如果温度达到700℃，升温曲线会呈现出明显的平缓升温段（图1b）。

图1  钢构件的升温特征曲线

此外，介绍钢构件升温时会引入一个重要的概念，即截面形状系数F/V，指构件单位长度的表面积F与体积V的比值，单位为m^-1，截面形状系数越大，温度升高越快。为了便于理解，以红汤火锅时选择叶子菜和莴笋头为例进行形象介绍，吃红汤火锅时选择叶子菜很少，因为叶子菜截面形状系数太大，吸油太多，从而太辣而难以下咽，而莴笋头的截面形状系数较小，更适合红汤火锅。通过该案例，让学生明白专业词汇也不一定枯燥乏味，也可以生动有趣。

对于轴心受压构件和受弯构件的抗火验算和设计这章内容，着重介绍承载力法和临界温度法的原理和公式，讲述时侧重规范条文的介绍和引入背景知识。为了增加内容趣味性，也会讲述科研发现的过程及现有方法存在的不足和可能改进的方面。例如规范GB 51249—2017中轴心受压构件高温下临界应力的计算公式是在常温下临界应力的计算公式（式1）的基础上，考虑温度对钢材力学性能指标的影响，直接把与温度有关的屈服强度f_y和弹性模量E换成高温下对应的指标f_y，T和E_T（式2），而忽略了残余应力变化的影响。高温下残余应力明显降低，因为高温下材料屈服强度降低并产生蠕变应变，在残余应力较大的位置会产生塑性变形从而释放一些残余应力。通过展示研究团队完成的大量焊接残余应力高温下和高温后变化趋势，证实试件温度达到800℃时残余应力下降到常温下的20%左右（图2）。通过该案例讲述，让学生明白和理解目前规范中的方法并不完善，还有较大的提升空间，从而激发学生的学习和科研动力，鼓励学生投身科研事业。

图2  高温下和高温后残余应力降低系数比较

常温下轴心受压构件的稳定临界应力：

式中，${\sigma }_{\mathrm{E}}$为欧拉临界应力，f_y为屈服强度，E为弹性模量，e₀为等效初弯曲率，取值如下：a类截面$e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.152}\overline{\lambda }-\mathrm{0.014}$，b类截面$e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.300}\overline{\lambda }-\mathrm{0.035}$；c类截面$e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.595}\overline{\lambda }-\mathrm{0.094}\overline{\lambda }\le \mathrm{1.05},e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.302}\overline{\lambda }+\mathrm{0.216}\overline{\lambda }>\mathrm{1.05}$；d类截面$e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.915}\overline{\lambda }-\mathrm{0.132}\overline{\lambda }\le \mathrm{1.05},e_{\mathrm{0}}=\mathrm{0.432}\overline{\lambda }+\mathrm{0.375}\overline{\lambda }>\mathrm{1.05}$。

在讲述组合梁抗火验算和设计章节内容时，重点强调组合梁的抗火设计是采用高温下塑性极限承载力作为承载力的极限状态，因此，如何计算组合梁不均匀温度分布下的塑性极限承载力是组合梁抗火设计的关键。通过大量的数值计算，发现组合梁的临界温度主要与组合梁楼板的厚度、耐火极限和荷载比三个参数有关。课堂主要讲述温度分布的确定方法，不均匀温度分布下组合梁塑性极限承载力的计算理论。为增加内容深度和趣味性，课堂上介绍组合梁的抗火性能试验，部分抗剪组合梁的挠度和剪切滑移计算方法，以及研究生如何通过研究组合梁抗火性能申请软件著作权登记、发表高水平学术论文。通过具体案例，大大激发了学生的学习兴趣和热情，同时也提升了学习效果。

介绍结构抗火学科的发展历程时，重点介绍中国在结构抗火领域取得的巨大成就，我国从20世纪80年代末开始从事结构抗火研究，比国外晚了30余年。虽然起步较晚，但通过对比国内和国外的研究，以及作者在国外大学的研究经历，目前国内结构抗火研究接近国际先进水平，在钢结构抗火方面已经达到国际先进水平，以此增强学生的爱国主义情怀和社会责任感。随着中国科研经费的大力投入及科研设备的更新换代，科研成果取得了长足的进步，以SciVol数据库统计的结构抗火高水平论文数量和质量为基础，列举了近5年发表的论文数量，中国以486篇位居世界第一，美国以188篇位居第二，英国以171篇位居第三，以此增强学生的文化自信和制度自信。

介绍火灾的巨大社会危害时，介绍近些年中国重大火灾伤亡人数的统计数据，如表2所示。结合一些典型火灾案例介绍火灾造成的重大财产损失，例如2004年12月21日，湖南省常德市鼎城区桥南市场发生特大火灾，烧毁3 220个门面、30个仓库，过火面积8 3276 m²，直接财产损失1.876亿元；2006年5月4日，比利时布鲁塞尔国际机场飞机维修库发生大火，损失数十亿欧元；2015年8月12日，天津市滨海新区瑞海公司危险品仓库发生火灾和爆炸，损失68.66亿元。以此强化结构火灾安全的保障措施和工程师的责任和义务，引导学生弘扬职业道德、发扬工匠精神，为国家安全生产和安全制造提供技术支撑。

讲述组合梁抗火设计的临界温度法的来源和发展过程时，结合作者自身科研经历介绍方法的推导过程，写入国家标准的经历，激发学生的科研热情，鼓励学生勇于创新，培养敬业精神。讲述防火涂料的质量和品牌时，对比分析国外先进的防火涂料产品和中国制造的防火涂料产品，指出国外材料的防火性能优良，耐久性好，但价格昂贵；中国制造的防火涂料产品质量有大幅度提升，而且物美价廉。以此增强学生的民族自豪感和自信心，同时激励学生不甘落后，敢为人先，为提升我国产品的性能和质量贡献自己的智慧和力量。

讲述建筑消防措施时，强调畅通消防通道对及时灭火的重要性，而现实中消防通道经常被占用。以2020年1月重庆市渝北区加州花园A4幢发生火灾为例，消防通道被堵，延误消防车通行，以此引入道德法制的思政元素，警醒大家遵纪守法。在讲述防火涂料的检验和验收时，指出实际工程中经常出现送检产品和工程中实际应用的产品质量不一致的情况，一方面是目前的验收方法存在一定的漏洞，另一方面是部分涂料生产厂家或施工单位存在不诚信行为，以此告诫学生发扬工程师职业道德精神，诚实守信，严把质量关，将建筑火灾的安全隐患降到最低。