钢结构设计中对建筑耐火性能的思考

张铁壮

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

1 钢结构的耐火性能

钢材在火灾高温中的力学性能变化显著，高温对材料的不利影响非常明显。对于普通钢材，其材料强度和弹性模量会伴随温度的升高（一般超过600℃）急剧降低，超过一定温度后即失去基本的强度和刚度。对于那些未采取保护措施的钢构件，当火灾发生到充分发展阶段后不久便会受到严重损坏。

1.1 建筑室内火灾的发展

对于一般建筑室内火灾而言，通常在开始阶段发生在某个房间的某个部位，由此再蔓延到相邻房间以及整个楼层，最终蔓延到整栋建筑。在火灾不受外界干预的情况下，室内火灾的发展过程大致上可分为三个阶段：

1）初期增长阶段：本阶段也可称为轰燃前阶段，从室内出现明火算起。本阶段燃烧物质较少，仅在局部范围内发生，温度也仅表现为局部较高，室内不同区域温差较大，平均温度较低。

2）充分发展阶段：室内的燃烧持续一定的时间之后，如果有足够的燃料存在，且保持一定的通风状态下，室内温度便会不断攀升，火场附近未燃烧的可燃物表面达到热解温度后开始分解释放可燃气体，一定时间和条件下便会发生室内温度的陡增现象，即发生轰燃，标志着室内火灾由初期增长阶段转变为充分发展阶段。之后，室内所有可燃物表面都将被引燃，室内温度急剧上升，可达800～1000℃，此阶段是室内火灾的最危险阶段。

3）衰减阶段：在火灾充分发展的后期，由于室内可燃物数量的减少，燃烧速度逐渐降低，强度也随之减弱，温度逐步降低。一般当室内平均温度下降到峰值温度的80%时，即认为火灾进入衰减阶段。

1.2 钢结构火灾阶段承载力变化

钢是热的良导体，对于钢结构构件来说，火灾中主要通过热传导、对流和辐射的方式吸收热量并升温。一般无防火保护措施的钢构件在火灾进入充分发展阶段后，20min 内便可达到600℃。

正常工作温度下，建筑用钢材都具有较高的抗压及抗拉强度，也具有较大的弹性模量。研究表明随着温度的升高，钢材的强度和弹性模量会急剧下降。从既有的研究结果可以看到，600℃下钢材的屈服强度和弹性模量会下降到常温下的40%左右。由于钢结构的承载力是由其材料的强度和刚度决定的，那么由于火灾下钢材的急剧升温带来的强度和刚度的衰减，其承载力便会显著减低。一定程度后，会由于结构承载力不足发生破坏。经过长期的研究表明，钢结构在高温破坏时的温度即临界温度一般不超过600℃。

钢结构在火灾进入充分发展阶段后其承载能力会在较短时间内急剧下降，我们充分了解火灾发展过程，结合火灾发生特点合理选择防护措施和有效选取相关防火材料的耐火性能参数都是十分必要的。

2 钢结构的防火保护措施

钢材拥有良好的结构性能，使得钢结构在现代建筑中得到了普遍应用。为了弥补钢材在防火性能方面的不足，必须对钢结构进行一定的防火处理，这样可以有效的提高钢材的耐火性能，从而满足建筑构件的燃烧性能及耐火极限的要求。

2.1 截流法保护

截流法的原理就是截断或者阻止热量在构件间的传输，从而保障构件在规定的时间内温度的上升不超过预期规定。通常，我们在构件的表面设置一定厚度的保护材料，而这种材料具有导热系数小、热容较大的特性，因而在火灾发生后温度在通过这层材料向构件传递过程中得到了有效减缓，对钢构件有了很好的保护效果。

实际应用中的截流法包括：1）喷涂法：包括防火涂料、无机纤维防火材料等。2）包封法：外包混凝土或砌体、防火板包覆等。3）水喷淋法：对于高大空间的钢构件采用自动喷水装置在火灾发生后有效喷水截流高温。

2.2 疏导法保护

疏导法是源于对温度的有效疏散而形成的。火灾发生后，我们可以从有效消耗或转移高温能量方面做到对钢构件的有效保护。

目前应用的疏导法包括：钢构件表层伴冷却装置、钢构件内部充循环水冷却等方法。此种方法原理简单且效果明显，所采用的装置基本上都与火灾自动报警系统相结合。目前无论从技术理论还是实际应用上都存在一定制约，尚处于不断改进提升阶段，应用前景还是值得期待的。

3 防火涂料

钢结构涂刷防火涂料是截流法保护的方式之一，在各类防火保护措施中，此种方法被认为是最有效的措施之一。钢结构设计时，我们应该充分理解防火涂料的分类、选用原则和构造要求。

3.1 分类

根据防火涂料在高温下的体积变化情况，一般分为膨胀型和非膨胀型两类。

薄型和超薄型防火涂料属于膨胀型，主要成分包括有机树脂、发泡剂、阻燃剂以及碳化剂等，遇高温时形成多孔碳化层。膨胀型防火涂层的厚度一般在7mm 以下，薄型防火涂料的体积膨胀倍数不小于5，超薄型防火涂料的膨胀倍数则不小于10。厚涂型防火涂料则属于非膨胀型，以无机绝热材料为主，混入一定比例的无机粘结剂构成。厚涂型防火涂料主要依靠自身良好的绝热性，通常厚度在8～50mm，厚度较大时还应采取一定的结构措施保障涂料的有效贴合。

3.2 选用原则

结合钢结构自身特点及耐火等级的要求，设计时应该合理的选用防火涂料的种类。注意以下要点：

1）对于室内裸露的钢结构、轻型屋盖钢结构以及对装饰有要求的钢结构，当其要求的耐火极限小于1.5h，宜选用膨胀型的薄型或超薄型防火涂料。

2）对于室内隐藏钢结构、高层钢结构及多层厂房钢结构，当其耐火极限在1.5h 以上时，应选用非膨胀型的厚涂型防火涂料。

3）对于露天钢结构，应选用适合户外的钢结构防火涂料，且应保证选用的涂料在工程实例中得到了1a 以上的有效验证，涂层性能良好。

4）防火涂料的选取还应配合钢结构防腐蚀、防锈涂料涂层的种类确定，保证复合涂层各自性能的有效发挥和相容。

3.3 构造要求

膨胀型防火涂料一般涂覆在钢结构表面，应做好与基层或相应其他涂层的有效连接。

非膨胀型防火涂料的选取如遇以下情况，应在涂层内设置与钢结构基层连接的钢丝网片。

1）构件承受冲击及振动荷载；2）钢构件表面涂层厚度大于30mm；3）防护涂料的粘结强度不大于0.05MPa；4）钢构件的腹板高度超过500mm；5）防火涂层长期暴露在室外或受长期侵蚀。

4 结束语

建筑耐火性能设计是钢结构设计不可缺少的部分，结构设计文件中应明确清晰的描述各部位钢构件的防火设计要求。作为结构设计人员，应该准确掌握钢结构耐火性能、保护措施及方法，熟悉各种类型防火涂料的应用条件和施工要求。如何提高工程设计质量，保证工程施工顺利进行，需要设计人员对规范相关规定做到深入理解和思考，在充分按照标准的设计要求前提下做到更加合理和高效。