摘要：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。根据以上，可极大简化钢框架等结构的抗火设计。（2）钢—混凝土组合梁抗火设计（规范8.3节）模块1：钢构件抗火设计模块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：...

2018年4月1日，《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017正式实施。 其包含的众多强条，引起了业界的关注。 普遍反映相关计算有点复杂。 为此，有工程师利用SAP2000的API编写了钢结构防火计算插件，可以一键完成冗长的计算过程，使防火计算和设计变得简单。

为了便于理解和应用，首先简单介绍一下钢结构防火设计的理论，然后说明如何使用该插件。

钢结构易被火灾损坏的主要原因

(1)钢材的力学性能在火灾下大大降低。 在600℃温度下，结构钢的屈服强度仅为室温的50%； 在700℃的温度下，结构钢的屈服强度仅为室温的20%。 高强度钢的力学性能下降更为严重。

(2)钢的导热系数大，遇火升温快。 无防火保护的钢构件受火15～20分钟可达600℃以上，难以满足《建筑防火设计规范》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

显着提高钢在高温下的力学性能是非常困难且不经济的。 因此，目前提高钢构件耐火极限的主要措施是提供防火保护。

工程中钢构件最常用的防火方法是防火涂料的应用，包括非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料。 目前，前者常被称为厚型防火涂料，后者常被称为薄型防火涂料/超薄型。 型防火涂料。

《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249还规定了工程应用中其他钢构件的防火方法，包括：涂装防火板、浇筑混凝土、砌块、抹砂浆、涂装防火毡等。

以往钢结构防火设计方法

GB51249-2017实施前，钢结构防火设计主要依据防火涂料检测报告（按照《钢结构防火涂料》GB 14907进行检测）。 例如：某检验报告中涂敷了厚度为d的防火涂料，构件耐火试验得到的耐火极限为2.0小时。 设计时，对于耐火极限为2.0小时的构件，直接取防火涂料保护层的厚度为d。

上述设计方法存在重大问题，可能不安全或不经济，原因如下：

(1)阻燃涂层试验报告中给出的涂层厚度是针对特定构件和规定荷载比的(GB 14907规定采用I36b或I40b工字钢)。 但实际工程中构件的截面和荷载比一般与GB 14907规定的不同。

(2)构件的荷载比是影响构件耐火时间的主要因素之一。 显然，当构件的负载比为0时，构件在火灾中不会被损坏，除非熔化； 当元件的负载比接近1时，元件在温度较低时会损坏。 因此，耐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。 构件的横截面形状系数是：横截面周长与横截面积的比值，代表构件的厚度。 显然，钢板越薄钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计，截面形状系数越大，火灾时升温越快，耐火极限越小。

耐火设计方法及计算过程

(1)关于荷载组合

根据GB51249第3.2.3条规定，大多数钢结构不需要采用基于整体结构耐火验证的防火设计方法。

根据GB51249第3.2.5条规定，对于主要弯曲变形为弯曲构件、拉弯构件和压弯构件的构件，可以不考虑热膨胀效应，构件受火时的边界约束和内部外部载荷作用下产生的力可采用边界约束和常温下的内力来计算构件在火灾下的综合效应。

综合以上，可以大大简化钢框架等结构的防火设计。 按3.2.2条进行火灾荷载组合时，可忽略温度内力项，直接采用常温下各工况的内力，组合时可考虑耐火分项系数。 对此，现有的设计软件可以满足使用要求。

(2)耐火设计方法

根据3.2.6条规定钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计，钢结构构件的耐火计算和防火设计可采用承载力法或临界温度法。 这两种方法的使用过程如下：

承载力法

1、确定防火方式并设置防火层厚度（可设置为不防火）；

2.根据第6章，计算组件温度【通过本插件计算】；

3、根据5.1节，确定钢材在高温下的力学参数【通过本插件计算】；

4、根据3.2.2条，计算构件荷载效应组合【SAP2000计算】；

5、按7.1节校核构件的耐火承载力【采用SAP2000计算】；

6、当防火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：该功能待下一步开发）

1、根据3.2.2条，计算构件荷载效应组合；

2、计算受火构件的载荷比；

3、根据7.2节计算元件的临界温度；

4、按7.2.8、7.2.9条计算防火层厚度。

由上可见，在不需要考虑温度内力的情况下，临界温度法的应用更为方便。 现有的设计软件可以直接计算受火构件的载荷比； 然后查7.2节中的表格得到临界温度，然后使用7.2.8/7.2.9节中的公式计算厚度。 第7.2.8/7.2.9条中的公式是显式公式，不需要迭代计算，应用起来相对简单。

(3)元件分类

对每个部件实施不同的防火厚度显然是困难的。 为了简化设计、便于施工，需要根据楼层、构件断面等对构件进行适当分类，并取最不利的结果作为分类组构件的防火厚度。

插件功能模块组成

当前插件包含两个模块：

(1)采用“承载力法”进行钢构件的耐火计算；

（2）钢-混凝土组合梁的耐火设计（规范第8.3条）

插件安装

（1）双击msi文件，按照默认完成安装；

（2）打开对应版本的SAP2000，点击菜单栏的Tools选项卡，选择Add/show Plug ins，在Plug in Name中输入firecal2_v17（或firecal2_v19），在Menu Text中输入任意名称，如“FireComputingPlug” -in”，点击右侧的Add按钮，当Status变为OK时，表示安装成功，插件会出现在Tools下拉菜单中。

模块一：钢构件的耐火设计

打开插件主界面如下：

首先，在窗口中选择要计算的组件并将其突出显示。

在主界面中选择并填写各项参数。 可以在有或没有防火保护的情况下进行计算。 防护类型包括规范中的非轻质防火防护层、膨胀型防火涂料、非膨胀型防火涂料以及笔者添加的C20混凝土。 ，截面类型包括工字钢、箱形截面和圆管。

当选择不同的涂料类型时，下拉框和填充框会根据不同的计算方式自动变为可填充或不可填充。 需要根据6.2节相关参数的说明，将所有可填写的地方填入参数（注意单位），然后点击“生成”，立即根据计算出钢构件的温升值和本构减少量。所选组件的横截面参数和材料构成。 将显示一个弹出框，并且组件的材料构成将被修改为火灾后。 本构，有利于有限元计算。

规范中钢构件温升计算（6.2.1和6.2.2）采用时间增量迭代法。 经验证，增量步长为1~5s，结果相差不大。 在本插件中，增量步长统一设置为1s。 规范第6.2.3节还提供了轻质防火层的近似温升算法（本插件中未使用）。 与增量迭代法比较后发现，误差一般不超过10%。

模块2：钢与混凝土组合梁的耐火设计

选择“钢-混凝土组合梁的耐火设计”选项卡，窗口变为如下：

还是先在模型中选择一个元件，然后根据规范8.3节的内容选择或输入各种参数，点击“检查计算”即可弹出各种计算结果。

规范中塑性中性轴的位置有3个：混凝土翼缘内侧、钢梁上翼缘内侧、钢梁腹板内侧。 程序将它们命名为I类、II类和III类部分，可以自动确定并应用相应的计算公式。

        插件获取请点“原文链接”

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