钢结构抗火设计方法的发展

康利慧

摘要：钢结构以它独特的优点，在各类建筑场合都有非常广泛的应用。由于钢结构耐火性差的特点，一旦發生火灾往往都会导致建筑结构失去完整性，而且稳定性急剧下降。因此，必须加强钢结构防火保护，提高构件耐火极限。本文对钢结构抗火设计方法的发展进行了探讨。

关键词：钢结构；抗火设计；方法；发展

钢结构的建筑不但丰富了建筑结构的形式，而且还为人们提供大量丰富多彩的建筑类型，就会给人们一种美妙视觉效果。同时，也为建筑的艺术发展提技术支撑。目前，随着我国经济与技术的发展，人们对建筑的安全要求是越来越高了，对各种灾害防范工作也是日益重视，特别是火灾。加强钢结构的建筑材料耐火的性能，就使钢结构的建筑材料自身阻止火灾的发生或者蔓延，这就是钢结构的防火保护研究与发展的重点。

一、钢结构建筑构件的耐火极限分析

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。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。

2.构件耐火极限的确定

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。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。

3.影响构件耐火性的因素

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。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。

二、钢结构抗火设计的方法

1.外包层

就是在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶黏剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。

2.屏蔽法

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，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的防火方法。在钢结构的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开，阻止火灾烟气直接作用于钢构件。例如，钢梁下面吊装防火平顶，钢柱内侧设置有一定宽度的防火板等。

3.涂抹防火涂料

将防火涂料涂覆于钢构件表面，这种方法施工简便、重量轻、耐火时间长，而且不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性，是目前应用最多的钢结构防火保护手段。钢结构防火涂料的品种较多，通常根据高温下涂层变化情况分膨胀型和非膨胀型两大系列，按涂层厚薄、成分、施工方法及性能特征不同可进一步分成不同类别。

4.钢结构的水喷淋法防火

所谓的水喷淋法，就是在钢结构的建筑结构上部设置了水喷淋管网与喷头。当钢结构的建筑发生了火灾的时候，水喷头受热之后就会自动的打开向建筑构件喷水了，这样就使建筑构件的表面形成了连续流动水膜，就可以带走大量热量，让钢结构的构件温度不会过高，这样就可以提高结构耐火极限。

5.浇筑混凝土或砌筑耐火砖

采用混凝土或耐火砖完全封闭钢构件。这种方法优点是强度高、耐冲击，但缺点是要占用的空间较大。例如，用C20 混凝土保护钢柱，其厚度为5～10 cm 才能达到1.5～3 h的耐火极限。另外，施工也较麻烦，特别在钢梁、水平支撑、柱间支撑上，施工非常困难。

6.包覆耐火轻质板材

采用纤维增强水泥板、石膏板、硅酸钙板、蛭石板等耐火轻质防火板将钢构件包覆起来。防火硅酸钙板和蛭石板重量轻、防火性能好。这类防火板由工厂加工，表面平整，装饰性好，施工为干作业，用于钢柱防火具有占用空间少、综合造价低的优点。

三、钢结构抗火设计的发展趋势

随着涂料工业向节能、低污染、高性能化、专业化方向发展，钢结构防火涂料也向“5E”方向迈进，即提高涂膜质量（Excellence）、方便施工（Easyof application）、节省资源（Economics）、节省能源（Energy saving）和生态平衡（Ecology）。与此同时，它在防火性、装饰性和降低成本等方面也不断取得较大的发展。可以预见，今后钢结构防火涂料将向着超薄型、高耐候性、高装饰性及环保型方向发展。另外，通过对国内外建筑钢结构防火保护现状的分析，结合目前实际工程中存在的问题，今后钢结构防火保护技术的趋势也有可能朝着防火产品预制化的方向发展，预制化的防火板和防火卷材将在工程中得到广泛应用。这是因为预制化防火产品只需通过合成树脂黏结或采用钉子螺丝等固定，使得承重（钢结构）与防火（预制化产品）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。另外，钢结构预制化防火产品完全由工厂预制，施工工艺简单、质量稳定，且原厂和现场的检测手段简单可控，能有效地实现对工程质量的监督和控制作用，保证耐火性能。

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。

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