随着分析方法的不断进步，我们现在拥有更多方式来验证设计在非正常工况下的性能，例如火灾工况。不再需要使用过去那些结果不准确且过于保守的简化方法或查表法。现在可以对设计（包括其节点详图）进行高级分析。IDEA StatiCa Connection 为您提供符合规范的耐火性能计算，包括火灾计算（EN/AISC）。 

更重要的是，这并不复杂。让我们来理清这一主题。

如何进行抗火设计

在抗火设计中，我们可以采用以下几种方法：

• 查表法
• 简化设计（在正常温度下对单个构件进行验算）
• 高级设计（包括对节点耐火性能进行数值计算的验算）

迄今为止，工程实践中一直采用简化方法，即查表法或简化设计（采用解析或数值方法），但仅适用于暴露在标准温度下的单个构件。钢结构节点的耐火性能计算从未被采用。简化设计基于一个基本假设：节点用料更多，升温比其他构件更慢。这导致了安全隐患，同时也造成了经济上的低效。

如何解决这一问题？有一个简单的解决方案——进行规范的验算。在高温条件下的高级设计可以弥补这些不足。这对于机场、体育场、医院等重要建筑尤为关键。更重要的是，我们不仅可以对构件进行高温数值计算，还可以对节点进行高温数值计算！

让我们来了解 IDEA StatiCa 所采用的计算原理以及钢结构节点设计的一般流程。

计算核心 

耐火性能计算基于耐火等级（也称为防火等级）和火灾升温曲线。

第一个输入参数来自项目规格说明。耐火等级是一个输出结果，通常是消防部门批准的消防文件的组成部分。它表示结构在倒塌前必须承受的时间长度，以确保所有人员能够安全疏散。时间范围从 15 分钟到 240 分钟不等（R15 至 R240），受建筑功能与规模、楼层数量、出口位置等众多参数影响。在实际工程中，这意味着您可以设计一栋疏散难度较大但必须坚持四小时的建筑，也可以设计一栋在 15 分钟内即可完成疏散、结构随后可以倒塌的建筑。但请记住，这不由结构工程师决定，而由建筑主管部门和消防部门决定。

作为下一个参数，您需要选择火灾升温曲线，该曲线描述了燃烧过程，即空气温度随时间的变化。在实际情况中，一旦可燃物耗尽，曲线便会开始下降。但出于设计目的，基于试验数据建立了一条人工曲线，并经过放大以给出保守结果。在 IDEA StatiCa 中，您可以根据 Eurocode（ISO 834/标准火灾）或 AISC（ASTM E119）选择多种曲线，也可以选择适用于火灾蔓延较快场景的特殊曲线，例如用于石油平台、船舶或工业厂房的碳氢化合物曲线。

根据火灾升温曲线类型及其他材料参数和截面尺寸，软件采用增量法计算各构件（板件）在特定时刻（对应耐火等级）的温度。螺栓和焊缝的温度取与其相连的较热板件的温度。板件温度的自动计算依据有效规范进行，并可指定是否采用防火保护。同时，也保留了手动输入各构件温度的功能。

根据各构件的温度，确定材料的退化程度，进而确定材料性能折减系数。板件、螺栓和焊缝的规范校核与经典应力-应变分析相同，但采用折减后的设计值。

查看计算结果

请查看以下关于 IDEA StatiCa Connection 耐火性能分析结果的简短演示，以了解节点在不同工况下的受力行为以及理论的应用方式。

首先，我将通过应力-应变分析验证该节点是否满足要求。 

然后，我创建一个副本并设置耐火性能分析。在设置中，我选择最低耐火等级 R15，以及根据 Eurocode 的标准火灾升温曲线。我将有意设置一个不带防火保护的节点。

在显示的结果中，我们可以看到各构件在无防火保护条件下 15 分钟内的升温情况，以及这将如何影响材料性能，进而影响被测节点的承载能力。可以看出，仅在 15 分钟内，部分构件的温度已超过 700 °C。 

添加防火保护后，尤其是在如此短的时间内，我们立即得到了截然不同的结果。板件没有足够时间升温，材料退化问题也不再突出。

当耐火等级提高至 R90，即结构必须承受火灾的时间延长后，温度再次接近 700 °C。然而，在有防火保护的情况下，第一种工况仍有足够的时间完成人员疏散。

借助数值模型，我们能够在几分钟内完成不同工况的简单对比。从结果中也可以轻松判断哪个构件可能是设计中最薄弱的环节。

结语

如上所示，针对火灾效应的设计并不需要如此复杂。IDEA StatiCa 将帮助您设计出既安全又经济的结构。无需使用过时的保守方法，也无需完全回避计算。

除 IDEA StatiCa Connection 中的耐火性能分析外，我们还在 IDEA StatiCa Member 中提供所有构件验算的解决方案。

如需了解更多理论内容，请阅读知识库文章抗火设计，或查阅由 CTU Wald 教授完成的验证算例。