刍议钢结构建筑构件的防火设计①

张强

摘 要：在建筑结构中，钢结构因为具有强度高、韧性好和施工速度快等优点而得到了广泛的应用。但是，在耐火性方面，钢结构的耐火性能较差，继而在一定程度上限制了其发展。而进行钢结构建筑构件的防火设计，则可以使钢结构的耐火性能得到加强。因此，基于这种认识，该文对钢结构建筑构件的耐火极限进行了分析并在此基础上，对钢结构建筑构件的防火设计问题进行了分析，以便为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：钢结构 构件 防火 设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0093-02

作为建筑被动防火体系中的重要参数，建筑构件的耐火极限的时间长短不仅决定了建筑的耐火安全等级，还将对建筑的防火保护投资和投资效益的比值产生影响。除此之外，耐火极限还决定了建筑在火灾下的失稳与倒塌时间，直接关系着疏散人员和救援人员的安全。因此，有关人员有必要对钢结构建筑构件的耐火极限进行分析，以便更好的进行构件的防火设计，继而为人们的生命财产安全提供更多的保障。

1 钢结构建筑构件的耐火极限分析

1.1 耐火极限的定义及规范

国内外的建筑规范都对建筑的耐火性进行了等级划分，并对建筑构件的耐火和防火做出了规定。而所谓的耐火极限，其实就是对建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火试验，而从其受到火的作用直到失去支持能力或失去隔热作用为止，经历的时间就为建筑构件的耐火极限。

按照国家的建筑构件耐火极限规范，对钢结构柱和梁的耐火极限考察就是对其在受火条件下的稳定性、完整性和隔热性进行试验。首先，试件在稳定性试验中一旦发生垮塌或变形，其梁或板构件的最大挠度超过L/20mm，柱构件轴向变形大于h/100mm，则表明该试件失去支持力。其中，L指的是梁跨，而h为构件的初始受火高度。其次，在完整性试验中，如果用于试验的棉垫被引燃或背火面串火达10s以上，或者背火面出现超过规定的裂缝，则试件失去了完整性[1]。再者，在隔热性试验中，如果背火面平均温度超过试件表面初始温度或单点最高温度达180℃，则试件失去绝热性。

1.2 构件的耐火极限的确定

由于不同的建筑的形式和功能不同，所以建筑的可燃烧性能、热值和分布等内容存在着一定的差异。所以，按照国家统一规定进行建筑的耐火极限的设计并不科学。因为这样不仅容易造成预期的功能难以实现，还容易导致消费投资成本的增加。而进行构件的耐火极限的确定，则可以优化建筑构件的防火设计，继而解决这些问题。就目前来看，在进行钢结构构件的耐火极限的确定时，主要有两种方法。一方面，可以将建筑构件在建筑承重体系中的重要性与楼板进行比较，然后进行其耐火极限的确定。具体来讲，就是一旦构件的重要性大于楼板，则需要使其耐火极限高于楼板，反之则小于楼板的耐火极限[2]。另一方面，根据真实火灾的发展过程，可以采用可靠计算方法进行结构整体失效概率的分析和计算。而想要使用这一方法，则需要使设计承载力大于等于荷载效应，结构的最小安全系数也要大于等于所要求的安全指数。

1.3 影响构件耐火性的因素

就目前来看，影响钢结构建筑构件耐火性能的因素有很多，主要包括了可燃物火灾荷载密度、建筑空间条件和构件性能。首先，火灾荷载密度越大，建筑火灾的发展速度将越快，而火灾持续时间也会较长。而在这种情况下，建筑构件受的热作用时间较长，构件内部温度升高速度也将增加，本身的形变也会加大，而其所需耐火时间则更长。其次，空间通风条件、建筑围护构件性能、建筑空间高度和空间内的消防系统等多个建筑空间条件都会影响到建筑构件的耐火性能。比如，如果建筑内部设有自动灭火设施，建筑火灾就有可能被控制或扑灭，继而使构件的耐火时间缩短[3]。此外，钢材强度、混凝土强度、构件尺寸和保护层厚度等多个构件性能也同样会对构件的耐火性能产生影响。

2 钢结构建筑构件的防火设计

2.1 设计原则

在进行钢结构建筑构件的防火设计时，需要遵循相应的设计原则。

首先，需要合理确定建筑的耐火等级。具体来讲，就是根据相应的建筑设计防火规范和规定进行建筑的火灾危险性的确定。而在此基础上，则需要根据建筑的火灾危险性进行建筑构件的耐火等级的确定。例如，低压控制柜属于二类建筑，其耐火等级就应该为二级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限则应不低于2小时、3小时和1.5小时。而一旦没有在设计时进行耐火等级的确定，则将导致设计的失误，继而影响到建设的安全或成本。

其次，需要合理选择钢结构构件的防火保护方法。就目前来看，常用的保护方法有喷涂法、包覆法和水淋冷却法。而进行这些方法的利用，则可以进行钢结构的耐火极限的提高。其中，喷涂法就是在钢结构构件表面进行防火涂料的喷涂，以便在结构表面形成保护层，继而延缓局部失稳时间。包覆法则是利用砖、混凝土和硅钙板等材料进行构件的包裹，以便保护钢结构的整体稳定性。此外，水淋法则是在钢结构上进行喷淋系统的布置[4]。而发生火灾时，钢结构表面就会因喷淋而形成连续水膜，继而进行自身的保护。在进行构件的耐火极限设计时，则需要科学的进行这些方法的比较，然后根据构件的耐火极限要求进行防火保护方法的选择，继而使得防火设计既安全又经济。

再者，需要考虑到人员疏散问题。具体来讲，就是综合考虑人员密度指标和钢结构的建筑特点，以便加强对安全疏散路线、距离和宽度的设计要求，继而保证人员疏散时间小于构件耐火极限。而这样一来，才能保证火灾发生时的人员安全逃生，继而避免群死群伤的火灾事故的发生。

2.2 设计方法

2.2.1 基于试验的设计方法

基于试验的钢构件防火设计是以试验数据为依据，需要对不同防火措施下的构件耐火时间进行确定，以便进行相应的防火保护措施的选取。在设计的过程中，首先需要进行火灾温度时间变化模型的建立，以便验证受可燃物种类和布置方式影响的构件的耐火性能。而在此基础上，则需要进行完整的火灾温度随时间变化的曲线的设计，而该曲线包含了引燃源、火灾增长、轰燃与充分发展、衰减与熄灭这四个阶段[5]。其次，由于构件的耐火极限分析需要根据耐火时间长短来确定，所以设计者需要进行火灾荷载与荷载密度的确定。再者，为了进行最严重的火灾的模拟，设计者还需要进行真实火灾燃烧时间-温度曲线的设计。而这一曲线则会受到着火区火灾荷载密度、通风条件和房间形状等因素的影响。在进行实际火升温曲线计算时，则可以利用热平衡方程。最后，设计者需要对实际火灾与标准火灾进行比较分析。而通过分析火荷载密度、通风条件和房间大小等因素，设计者则可以进行室内火灾全盛时升温过程计算模型的建立，并最终选取相应的防火保护措施。

2.2.2 基于计算的设计方法

利用基于计算的构件防火设计方法进行构件的防火极限的确定，主要是对建筑用钢的力学性能变化进行分析。而这样一来，就能够找到最经济的保护层厚度，继而使构件的防火设计更加简便和经济。但是，使用这一方法之前，首先需要明确钢结构耐火极限状态和防火设计要求。具体来讲，就是在钢结构的轴心受力构件截面屈服、成为可变机构或丧失整体稳定性时，钢结构构件可以认为是达到了防火承载力极限状态[6]。而满足的要求则包含了对构件承载力、构件耐火时间和构件临界温度的要求。在此基础上，则可以进行真实火灾条件下的构件耐火极限的计算。在这一阶段，主要需要使用等效耐火时间的计算方法进行构件耐火性能的确定。作为定义标准耐火试验受火时间的手段，该方法可以进行火灾条件下的构件耐火时间的度量。而利用这种方法可以得出与房间火灾中构件临界温度相同的构件临界温度，所以可以根据这一计算结果进行相应的构件保护措施的采用。但需要注意的是，在进行该方法的运用时，需要进行火灾荷载密度、封闭空间热物理特性、可燃物不完全燃烧系数、自动喷水灭火系统作用系数和通风系数等多个系数的确定[7]。最后，由于真实火灾温度时间曲线变化较大，所以还要利用与真实火灾发展特性等效的标准温度-时间曲线的利用，以便完成构件耐火极限的验算。

2.3 钢结构建筑构件的耐火保护

2.3.1 构件耐火保护方法

建筑物的消防安全为系统工程，可以划分成主动防火和被动防火两大体系。其中，被动防火体系是根据燃烧原理采取措施，从而防止燃烧条件的产生或削弱燃烧条件的发展。就目前来看，被动防火措施主要有四种，即在钢结构构件四周浇筑混凝土或砌筑耐火砖、使用耐火材料进行构件的包覆、喷涂防火涂料和在构件内部充水。而在进行这些方法使用的时候，则不仅要进行材料的耐火性能的考虑，还要进行材料的经济效果的考量，以便降低防火设计的成本。一般的情况下，通常会采用不燃的热惰性材料或热导率小的材料包敷在构件外面的措施。此外，也可以采取充入循环水冷却的方法进行构件的防火保护。而主动防火体系则是采取主动防火措施进行构件的防火保护[8]。具体来讲，就是采取措施进行火灾的及早探测，以便破坏已经形成的燃烧条件，并进行燃烧的连锁反应的终止。而这样一来，就可以使火熄灭，并将火灾控制在一定范围内，继而达成减少火灾危害的目的。就目前来看，排烟系统、自动灭火系统和喷淋系统都属于主动防火措施，主要是在火灾后消除高温和火焰对钢结构构件的威胁。而相较于被动防火保护，主动防火保护更加积极。通过在火灾中进行室内热量的及时排除，并降低燃烧热释放率，则可以有效抑制火灾的蔓延，并有可能在火灾初期扑灭火灾，继而使构件得到保护。此外，主动防火保护措施的采取，还可以为人员疏散创造较好的条件和环境。

2.3.2 耐火保护层及厚度

采用耐火保护层构造进行钢结构建筑构件的防火保护时，需要对耐火保护层结构和厚度进行确定。就目前来看，常用的耐火保护层为水泥砂浆保护层。但是，由于水泥砂浆的附着力差，容易出现开裂剥落等现象，所以需要在钢结构外加焊钢丝网，以便进行水泥砂浆保护层的固定。而在进行耐火保护层的厚度的确定时，除了根据构件吸热量进行厚度的计算，还需要满足一定的耐火极限要求[9]。例如，在对方钢管普通混凝土柱采用厚型防火涂料保护时，其保护层的厚度就应该随着构件直径增加和长细比的减少而呈降低趋势，以便满足相应的技术规章要求。

3 结语

总之，耐火性差是限制钢结构应用的重要原因。所以，对钢结构建筑构件进行防火设计，才能够确保钢结构在建筑结构中得到更加广泛的应用。而从该文的研究来看，在进行钢结构的防火设计时，需要先对构件的耐火极限进行分析。而在此基础上，则要遵循相应的设计原则，并进行适当的设计方法的运用，以便更好的钢件结构的耐火保护。因此，该文对钢结构建筑构件的防火设计问题进行的研究，对于促进建筑行业的发展具有一定的意义。

参考文献

[1] 齐宝欣.火灾爆炸作用下轻钢框架结构连续倒塌机理分析[D].大连大连理工大学，2012.

[2] 郑航.高层钢结构建筑构件电气防火设计[J].中华民居（下旬刊），2013（7）：344-345.

[3] 马瑞，吕洪亮.大空间钢结构商业建筑的防火设计[J].消防技术与产品信息，2015（1）：22-24.

[4] 钱明成.钢结构条件下的建筑防火策略探析[J].消防技术与产品信息，2014（6）：69-70.

[5] 方垒，徐伟良.建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究[J].火灾科学，2011，20（3）：146-151.

[6] 王莉.某大空间建筑钢结构性能化消防设计分析[J].安防科技，2010（5）：53-57.

[7] 闫茹.某航站楼屋顶钢结构防火设计的案例分析[J]消防技术与产品信息，2012（1）：19-23.

[8] 张明，倪照鹏，彭磊，等.装配式钢结构建筑构件消防问题及解决方案[J].消防科学与技术，2014（11）：272-275.

[9] 史健勇，孙旋，刘文利，等.基于整体的大空间钢结构性能化防火设计方法研究[J].土木工程学报，2011，44（5）：69-78.