浅谈钢结构防火设计

宋俊国

近几年钢结构建筑日趋增多，尤其是一些高层建筑采用钢结构材料更为广泛。钢结构作为一种蓬勃发展的结构体系，优点有目共睹，但缺点不容忽视，除耐腐蚀性差外，耐火性差又是它的一大缺点。

钢材虽然属于非燃烧材料，但它的力学性能对温度变化很敏感。当温度升高时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量的总趋势是降低的，但在200℃以下时变化不大。当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提高，而塑性和韧性下降。当温度超过300℃时，钢材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量开始显著下降，钢材产生徐变;当温度超过400℃时，强度和弹性模量都急剧降低;达到600℃时，屈服强度、抗拉强度和弹性模量均接近于零，其承载力几乎完全丧失。这就是所谓的钢材耐热不耐火。因此一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌。

下面的几个例子把这点体现的淋漓尽致。

1)1996年江苏省昆山市的一座轻钢结构厂房发生火灾，4 300 m2的厂房烧塌。2)1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑(钢结构)整体倒塌。3)2003年4月5日山东省即墨市龙泉镇青岛正大有限公司钢结构食品加工车间发生火灾，建筑面积6 256 m2。

上面的例子告诉我们在建筑设计时，必须加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限，并在建筑内部制定必要的应急方案，以减少人员伤亡和财产损失。因此钢结构的防火设计从三个方面考虑：合理的构件的截面系数、防火措施和建筑内部必要的应急方案。

1 构件的截面系数

钢构件受火时，达到某一指定温度所需要的时间与构件截面形状有关。当构件直接受火表面面积越大，热量交换越多，所需时间越短，构件截面面积越大，达到指定温度吸收的热量越多，则所经历的时间越长。所以可以用构件的截面系数来表示构件的吸热能力。截面系数越大，构件越不耐火。但即使同一构件，所用保护材料构造方式不同即有时采用周边包封，有时周边喷涂，有时构件三面受火(如梁、一边靠墙柱)或构件四面受火，其截面系数也是不同的。所以确定合适的截面系数是很重要的。CECS 200∶2006建筑钢结构防火技术规范在附录中相应的规定。

2 钢结构的防火措施

2.1 耐火极限的要求

所谓钢构件的耐火极限是钢构件受标准升温火灾条件下，失去稳定性、完整性或绝热性所用的时间，一般以小时(h)计。

《建筑设计防火规范》规定民用建筑的耐火等级分为一、二、三、四级。除此规范另有规定者外，不同耐火等级建筑物相应构件的燃烧性能和耐火极限不应低于规范中表5.1.1的规定。

2.2 防火保护措施的种类

钢结构进行防火处理目的是将钢结构的耐火极限提高到规范规定的极限范围，防止钢结构在火灾中迅速升温发生结构失效。一般处理方法为采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递的速度，推迟钢结构升温，强度变弱的时间等。

目前，世界各国对钢结构采用多种方法进行保护。这些方法从原理上来说可分为两种：截流法和疏导法。

2.2.1 截流法

截流法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

1)喷涂法：采用喷涂钢结构防火涂料或喷射无机纤维保护构件。这种方法具有防火隔热性能好，施工不受钢结构几何形体限制等特点。

防火机理是：a.防火涂料本身具有难燃或不燃性，使被保护的钢材不直接与空气接触，从而延迟钢材着火燃烧。b.防火涂料遇火分解出不燃的惰性气体，冲淡被保护钢材受热分解的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧。c.燃烧被认为是游离基引起的连锁反应，而含氯、磷的防火涂料受热分解出一些活性自由基因可与有机游离基化合，中断连锁反应，降低燃烧速度。d.膨胀型防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护的钢材，阻止钢材燃烧。

防火涂料的选用原则：a.钢构件耐火极限设计要求不大于1.5 h时，宜采用超薄型或薄型钢结构防火涂料。b.钢构件耐火极限设计要求为1.5 h～2.5 h时，宜采用薄型钢结构防火涂料、厚型钢结构防火涂料。c.钢构件耐火极限设计要求为3.0 h或3.0 h以上时，宜采用厚型钢结构防火涂料。涂料厚度根据标准耐火试验数据选定相应的涂料厚度。

2)包封法：是用耐火材料把构件包裹起来。包封材料有防火板材、混凝土、钢丝网抹耐火砂浆等。当采用石膏板、蛭石板、硅酸钙板、珍珠岩板等硬质防火板材包封时，板材可用胶粘剂或钢件固定。当包封层数最少两层时，各层板应分别固定，板缝应相互错开，其距离不宜小于400 mm。当用岩棉、矿棉等软质板材包封时，应用薄金属板或其他不燃性板材包裹。

3)屏蔽法：将钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里。

2.2.2 疏导法

疏导法是在空心封闭截面中(主要为柱)充满水，火灾时钢构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度可维持在100℃左右。水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱连通。前者仅依靠水的蒸发耗热;后者既能蒸发耗热，又能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低的柱。

3 强化报警系统和灭火装置

3.1 报警系统

在传统的探测报警设备中，感温探测器只能探测8 m及以下高度的空间，感烟探测器为12 m及以下，火焰探测器及红外光束感烟探测器为20 m及以下。鉴于大空间建筑的构造特性，功能区等固定房间可采用普通感温(烟)探测器，而展览区等大空间在实际中多采用双波段火焰探测器、线型光束图像感烟探测器等配合自动水炮系统等先进技术。

3.2 灭火装置

自动报警灭火系统是一种重要的灭火、报警措施，是目前世界上采用最广泛的一种固定灭火报警设施。其特征是：通过加压设备将水送入管网至带有电磁控制的喷头处，喷头在收到开启控制信号的同时自动开启洒水灭火，并发出报警，更好的预防火灾的蔓延。考虑到高层建筑以自防自救为主，室内消防用水量比室外的要大些，室内消火栓用水量为40 L/s，是规范规定的建筑物消防用水的上限值。

自动报警灭火系统中的自动喷水灭火装置，根据被保护建筑物的性质和火灾发生、发展特性的不同，可以有许多不同的系统形式。通常根据系统中所使用的喷头形式不同，分为闭式自动喷水灭火、开式自动喷水灭火。具体采用哪种灭火系统应符合《建筑设计防火规范》的规定。

4 结语

目前的研究水平主要停留在构件的耐火性能阶段，缺乏整体结构防火概念。另外，防火措施虽然较多，但业主存在侥幸心理，往往为节省造价、防火做法达不到设计所需要的耐火等级。因此，我们一方面应加大力度开展钢结构防火领域的研究，另一方面提高人们对防火重要性的认识，双管齐下才能避免一些不应该发生的事故，建设一个美好和谐的社会。

［1］ GB 50016-2006，建筑设计防火规范［S］.

［2］ 06SG501，民用建筑钢结构防火构造［S］.

［3］ CECS 24∶90，钢结构防火涂料应用技术规程［S］.

［4］ 李 兵，陈道政.钢框架结构抗火反应分析与研究［J］.山西建筑，2009，35(1)：78-79.