刍议钢结构建筑构件的防火设计

刘现鹏

【摘要】文章结合工程实例，运用临界温度法对建筑钢桁架结构进行防火设计，期望对同类型工程能够有所借鉴。

【关键词】钢结构；建筑构件；防火设计；临界温度法

在建筑钢结构中，钢桁架结构是最为常见的一种形式。然而因钢材不具备耐火特性，使得钢桁架结构一旦发生火灾极为容易出现坍塌现象。如果没有进行相应的防火设计，钢桁架结构的耐火时间仅仅为15-20分钟左右。因此探讨钢桁架结构的防火设计极其重要。

一、基于臨界温度法的钢桁架结构抗火设计

采用基于临界温度法的时候，设计钢桁架结构的防火需遵循如下步骤：对于钢桁架的临界温度进行确定→依据火灾现场的实际状况，通过相应的公式来合理计算最高温度→比对临界温度、最高温度，以便于据此制定最终的解决方案。通常有两种方法可以对临界温度进行确定。其一是采用施工经验、查阅文献资料的途径进行确定；其二是借助结构分析理论，采用计算的方式来求得结果。

（一）结合施工经验或者通过查阅文献资料的方式来对临界温度进行有效确定

据针对钢材进行高温力学性能试验后，可以得到如下结论：当钢材面临着低于200℃的温度时，其强度变化几乎和常温状态下无异；当钢材面临着低于300℃的温度时，其强度开始下降，和常温状态下相比，强度下降15%；但是如果温度直接高于300℃，则且强度则迅速下降，一旦温度高于400℃，强度呈现出急剧下降的趋势。由上可知，可以保守的将钢结构的临界温度确定为300℃，甚至再保守一点，直接将其设定为200℃。然而，查阅大量文献资料后得知，也有将钢结构的临界温度确定为325℃。

（二）利用结构分析理论计算临界温度

结构分析理论的主要原理在于：当建筑构件发生火灾的时候，只需要计算火灾工况下的荷载比即可对临界温度进行有效确定。所谓构件的荷载比，则可以通过火灾状况下，构件的荷载效应设计值和常温状态下构件承载力设计值之比来求得。一般来说，荷载比和临界温度是呈反比的关系，也就是越大的荷载比，反而会呈现越低的临界温度。轴心受力基本上是钢桁架结构的主要受力形式，且分为抽心受拉和轴心受压。如果是轴心受拉的钢构件，只需要依据截面强度荷载比R的标准值即可确定。截面强度荷载比R可以由下述公式求得：

上述公式中，N表示火灾状况下构件的轴向拉力设计值；An表示构件的净截面面积；f代表常温状态下钢结构的强度设计值。

而对于轴心受压的钢构件，其临界温度则可以依据截面强度荷载比R和稳定荷载比R来确定，最终对比二者结果，最小的则可以确定为临界温度。R按式（2）计算。

公式中：N为火灾时构件的轴向压力设计值；A为构件的毛截面面积；为常温下轴心受压构件的稳定系数。

二、工程实例

（一）工程概况

某房屋建筑面积大约为62115m2，整体建筑高度为40m，地下主要用于停车库、配电房、空调机房以及水泵房等，层高为5m。地上一层主要用于会议展厅，层高为9m。二层的层高为12-30m，主要分布的其大2-8号大型会议室等。该建筑主要运用的是钢筋混凝土框架结构，屋顶用的是钢桁架结构，耐火的等级为1级。

（二）钢桁架抗火分析

我们选用临界温度法来进行钢桁架结构的防火分析，依据经验值，确定临界温度为300℃，设定火灾场景后运用堆成羽流法来对结构的温度进行计算。如果结构的温度低于300℃，则无需进行防火保护，如果超过了300℃，则可以认定结构失效，需要进行相应的防火保护。在二层的5号会议厅设置一个火源点，具体火灾释放速度根据快速火进行确定。由于该区域一旦出现火灾，消防人员能够在10min内就控制主主要火势，根据相关计算公式，得到火灾的热释放速率为16880kw。选取火源总释放速率的70%作为对流热释放速率，也就是11816kw，将周边环境温度设置为25℃，烟气的比热容CP取1.02kJ/（kg·℃），其他基本参数按前述取值。分别取高于火源面8、9、10、11、12m位置，并对烟羽流温度进行计算，可以保守的认为烟气温度为钢结构的温度。具体计算结果如下表所示：

（三）结果分析

由上可知，当钢结构位置低于10m的时候，其所有的温度全部超过了300℃。我们选取1.2倍的安全系数，则可以认定低于12m的位置，所有钢结构的温度也会超过300℃。这时就必须选取一定的防火措施。相对而言，高于12m的位置，钢结构的温度并没有超过300℃，因此或火灾对于整个结构的影响比较小。所以对于该房屋建筑而言，对于整个屋顶结构而言，因其全部采用的是钢桁架结构，且低于12m的位置需要采取必要的防火措施。通常可以涂刷一定的膨胀型防火涂料来保护，具体保护层的厚度要达到提升钢结构的耐火等级高于1.5h，可以采用试验的方式来最终确定涂料的涂刷厚度。

总之，限制钢结构进一步推广应用的主要原因在于耐火性能较差。因此相关设计人员，需要高度重视钢结构的防火性能设计，确保提升钢结构构建的防火性能，提升钢结构建筑构件的安全性，最终推动钢结构构件的进一步应用。

参考文献

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[2]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，（05）：53-57.