钢结构抗火性能分析及改善措施研究与总结

李天平

甘肃建筑职业技术学院（730050）

0 概述

钢结构轻质高强、抗震性能优良，广泛应用于目前正在建设的新建结构中。相比于传统的砌体结构和钢筋混凝土结构，钢结构在抗火方面的性能较差。根据许多起钢结构建筑的火灾事故表明，火灾对于钢结构的破坏是毁灭性的，因此，提高钢结构的抗火性能是目前亟待解决的问题。

提高钢结构抗火性能的方法主要有两个方面:①进行抗火设计，提高结构的承载力冗余度以抵抗承载力的退化；②采取有效的保护措施，减缓钢结构在火灾下承载力衰退，达到增强结构构件抗火性能的作用。

1 钢结构抗火设计

抗火设计是在设计过程中将火灾因素纳为考虑因素，提高钢结构的承载力储备，使钢结构在火灾导致承载力发生衰退之后，仍有足够的承载力能支撑结构不发生倒塌。钢结构抗火方面的设计可从钢材、钢构件、钢结构体系三个层面进行。

1.1 钢材

钢材本身不具有可燃性，但钢材在高温环境下的机械物理性能和力学性能会明显降低，当温度超过800℃时，无防火保护的钢结构强度会急剧降低，导致结构物局部破坏甚至整体坍塌。根据建筑火灾的发展阶段及失效情况可以得到，轰燃发生后空气的温度会迅速升高，通常在几分钟内可迅速达到1 000℃[1]，无防火保护和防火保护失效的钢结构在火灾中极易受到损害。

钢材在高温下的材料性能是决定抗火性能的根本，从这一层面，抗火设计的目标在于选取具有合适抗火性能的钢材用于建筑设计。国外研究者对耐火钢的研究效果更显著，根据研究可以发现，屈服强度可以在600℃时保持在室温值的2/3以上的建筑用耐火钢，目前已广泛应用于各种建筑工程中[2]。

1.2 钢构件

火灾使钢材的强度和刚度降低，进而使梁柱等构件的承载力和稳定性降低，导致构件的破坏。因而从钢构件层面，抗火设计主要是将计算公式在强度和稳定性两个方面进行修正，具体设计公式如下:

相比于不考虑抗火设计的计算公式，以上公式中增加了多个修正系数。其中为在高温下钢材的强度的折减系数，引入该系数后，相当于考虑了钢构件在高温下强度的退化；均为高温下钢构件的稳定系数，这些系数相对于常温下的稳定系数，都进行了一定的折减，相当于考虑了构件在高温下刚度退化引起的稳定性降低。

1.3 钢结构体系

从结构体系的整体来看，火灾可能导致局部构件的失效，进而影响与之相连的多个构件，引发使得构件的失效在整个结构里蔓延，最终导致结构整体连续倒塌。因而从结构体系的层面上进行抗火设计，就是进行结构布置的优化，提高结构的超静定程度，设计合理的传力路径，在部分构件失效后其余部分能够合理的分担荷载，不至发生构件连续失效而整体倒塌。

钢结构体系层面上的抗火设计实际上就是对结构进行抗连续倒塌设计，通常可采用拆除构件法（抽柱法）进行设计[3]。拆除构件法就是将结构的部分构件拆除掉，以模拟该构件失效的情况。在研究中建立了一个框架，将其边榀框架中间的柱拆除掉，分析剩余结构的受力特点，评估是否会引发新的构件失效。拆除柱子之后结构由最初的剪切型变形向剪弯形变形过渡，拆除柱子使得与该柱对应位置的所有梁出现塑性铰而失效，产生了一定范围的失效蔓延，故当此柱受火失效时，将对结构造成较大的破坏，需要考虑进一步加强优化。

2 钢结构防火保护措施

在之前的研究中，结构工程师们才关注到外包混凝土对钢结构刚度的增强作用，由此开始了对型钢混凝土构件的研究，并分析了局部屈曲、轴压比等情况[4]。目前钢结构防火的主要的措施可分为两类:截流法和疏导法，通过改造构件外部设施达到防火的目的。

2.1 截流法

截流法的主要思路是设置防火涂层或防火隔离层，将钢构件与火隔绝开来，避免直接受火，延缓构建温度的上升。常用的方法有在钢结构外外包混凝土或砌筑砖砌体、涂敷防火涂层或防火卷材、单面屏蔽法等。

2.1.1 外包混凝土或砌筑砖砌体

该方法是将钢构件外部用混凝土或砌体包裹，使构件不与火源接触，减少热量向钢构件的传递。这种方法使用的材料简易，成本低，但是混凝土的浇筑和砌体的砌筑需要较大的工程量，施工比较困难。

2.1.2 防火涂层或防火卷材

该方法是将专门的防火涂层或卷材敷设在钢构件的表面，达到隔绝火灾热量的目的。常用的防火涂层种类繁多，根据厚度可以分为厚型和薄型两类。厚型（H）涂层厚度8~45 mm，耐火极限0.5~3 h；薄型（B）涂层厚度3~7 mm，耐火极限0.5～1.5 h。另外根据受火状态可分为非膨胀型和膨胀型。非膨胀型涂层自身有良好的阻燃隔热性能，密度较小；膨胀型遇火迅速膨胀，防火效果好[5]。但也有不足:①防火卷材经常应用于屋顶上，但是众所周知，室内发生火灾后，火势蔓延，往屋顶燃烧，其中该方案中的防火涂层设置再最上方，这便使最先接收火势带来的热量的是最下层的粘贴层，其中粘贴层无法对热量进行阻挡，使从卷材的底部至上方温度逐渐升高，融化卷材，使处于最上方的防火涂层发挥不了其防火作用，导致卷材丧失其作用；②其中当发生大型火灾时，卷材开始燃烧第一条件便是温度达到燃点，然而该方案中的卷材虽然能在一定程度上对吸烟、电焊、电线短路等引起火灾起到阻挡作用，但是卷材无法实现控制其自身的燃点，导致当发生大型火灾时，起不到任何的防火作用。

2.1.3 单面屏蔽法

单面屏蔽法是在构件的迎火面设置防火隔离层，将火源挡在隔离层以外，以减缓构件受火升温。同时隔绝火源，使得钢结构的温度上升较慢，最高温也有所降低。对于钢柱，可在柱周围设置一圈防火隔离层，将柱封闭在隔离层中，保护钢柱。对于钢梁和组合楼板，可设置防火吊顶，隔绝下部火源的热量，达到增强结构构件抗火性能的作用。这种方法经济型较好，可在特殊部位设置，是一种广泛采用的可以提高钢结构抗火性能的方法。

此外，近年来又新兴起了一种钢化玻璃防火隔断的保护措施。但是钢化玻璃隔断自身的耐热性能较差，在无自动喷水系统冷却保护时，在较短的时间内发生破碎，失去其耐火完整性[6]。因而喷水系统可以对玻璃进行有效的降温，提高了玻璃的隔热性能，使之可作为有效的防火分隔措施。由于防火玻璃和喷淋系统造价偏高，同时喷淋系统也为施工增加了难度，因而防火玻璃隔断在工程中应用较少，更多的是用在重要设备的防火隔离措施中。

2.2 疏导法

疏导法是通过冷却系统将传递在钢构件上的热量带走，给受火构件降温，使构件始终保持在比较低的温度，不至于达到临界温度。常用的方法有水冷却法、水喷淋法等。在水的作用下可以有效减缓结构构件温度的上升，利用水循环将温度较高的结构构件的热量带走，降低火灾区域钢结构构件的温度。

水冷却法是利用水作为冷却液注入钢构件的空腔中，利用水受热后上升的特点推动整个结构中的水进行循环，将火灾热量带到未受火区域散掉，将温度较高区域的热量带至其他结构构件处，结构整体温度不出现局部过高的情况，防止结构构件因高温失效，确保受火区域构件的温度不达到临界温度。同时为了防止钢结构构件生锈，可在循环水中添加阻锈剂。

水喷淋法是设置类似于消防喷淋设施的喷淋系统，当火灾发生时，系统自动启动或需人工启动向钢构件喷淋水降温，在给结构构件降温的同时也能起到一定的灭火作用，确保钢构件在火灾中不会温度过高而失效[7]。

3 总结

钢结构抗火性能的提高方法主要有抗火设计和提前设置对钢结构的保护措施两种。前者在设计过程中考虑抗火因素，将构件的承载力冗余度提高，以抵消火灾带来的承载力退化；后者在已有钢构件的基础上，从阻隔火灾热量输入和加快构件热量耗散的角度来进行防火保护，控制构件温度不达到临界温度。总之，以上方法都对钢结构的抗火性能具有不同程度的提高，在实际工程中，要根据工程的防火等级、造价成本、灾害后果等因素综合考量，选择多种措施组合，以提高钢结构的抗火能力。