建筑钢结构耐火设计方法

任立鹏

摘要：防止钢结构在火灾中迅速升温并发生形变塌落的措施有多种，关键是要根据不同情况采取不同方法。使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。介绍了几种不同钢结构的防火保护措施，为钢结构设计的完整性提供了参考。

关键词：建筑;钢结构;耐火设计;荷载

前  言

钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比具有以下特点：（1）钢材材质均匀，可认为为理想的弹性材料，受力状态简单明了;（2）钢材的塑性和韧性好，有利用提高结构的抗震性能;（3）钢结构强度高，自重轻，降低结构的自振周期，减小结构设计内力，降低基础造价;（4）钢结构制作周期短、施工速度快等。钢结构优点很多，但却有一个致命的缺陷：耐火性能差。结构发生火灾后在很短的时间内就能把建筑物烧毁。文中针对钢材的抗火性能，参考了国内外的资料，总结出了钢结构的抗火设计方法及保护方法，并给出一些建议，为钢结构的设计提供参考。

一、钢结构抗火的设计方法

钢结构抗火设计的实质是：选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性，满足承载能力的规定。在实际建筑设计中设计人员在遇到钢结构建筑中对所设计的建筑都做出特别的要求，比如涂刷防锈涂料，防火涂料属于油漆类。基于试验的构件抗火设计是一种简单、直观的方法。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火时间，然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下的标准试验，测定其抗火时间。设计目标为：结构（构件）的抗火时间不小于规范规定的耐火时间。我国《现行建筑设计防火规范》（GBJ16—87）中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。目前建筑物趋于功能复杂，体量大型化。同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大。其次，构件在结构中受力很难模拟，而受力的大小对构件耐火时间的影響很大。最后，构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。

二、钢结构的防火保护

除了进行基本的抗火设计我们必须考虑可行的防火保护，将两者紧密的结合起来，钢结构的防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。主要方法有以下几种：由于钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效倒塌，耐火极限仅15分钟，若采取措施，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，钢结构在火灾中就能保持稳定性，对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为两种：截流法和疏导法。

1.截流法

截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其作法是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，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

1.1喷涂法。喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类，薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7mm，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0。5～1。5小时，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0。5～3。0小时，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。

钢结构防火涂料的防火原理有三个：一是涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中。二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。

1.2 包封法。用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，进一步提高其耐火的性能。用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上术材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述预制板包覆构件，板间连接可采用钉合及粘合。这种构造方式施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重（钢结构）与防火（预制板）的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。

1.3 屏蔽法。屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。

2.疏导法

疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中（主要是柱）充满水，火灾时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，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。

三、结束语

现行的抗火设计方法是基于计算的构件设计方法，缺乏基于计算的结构抗火设计。改方法以防止整体结构倒塌为目标时，基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计。即将结构的主要功能作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏，特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。

参考文献：

[1]李国强.钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计 [M].中国建筑工业出版社，2006.137-140

[2]郑玉海等.中国消防手册第三卷.消防规划·公共消防设施·建筑防火设计.[S]上海科学技术出版社，2006.88-91