钢结构防火设计应用探析——以安徽阜阳市颍泉区棚户区改造抱龙安置区二期为例

郭世卿 （安徽寰宇建筑设计院，安徽 合肥 230000）

1 引言

随着建筑使用功能的日益复杂，导致建筑防火形势越来越严峻，建筑防火设计应引起各方重视，其中钢结构房屋的防火更应注重防火设计。钢结构自重较轻、强度利用率高、抗震性能优异，便于批量加工制作，施工速度快，是建筑中应用的主要结构形式之一。与混凝土结构相比，钢结构在某些方面也存在一些不足，特别是钢结构的耐火性能较差。钢结构防火性能差，形成的原因主要有以下两个方面：一是钢材热传导系数大，火灾下钢构件升温快；二是钢材强度随温度升高而迅速降低。无防火保护的钢结构的耐火时间通常仅为15min～20min，故在火灾中容易被破坏。因此，为了防止和减少建筑钢结构的火灾危害，保护人身和财产安全，必须对钢结构进行科学的防火设计，采取安全可靠、经济合理的防火保护措施。本文就钢结构防火设计问题进行探讨，并列出常用软件的防火设计步骤，希望对钢结构防火设计工程人员有所帮助。

2 钢结构防火基本要求

钢结构构件的设计耐火极限能否达到要求，是关系到建筑结构防火安全的重要指标，钢结构构件的设计耐火极限应根据建筑的耐火等级按表1进行取值，并应在设计文件中注明。

3 钢结构防火设计及软件实现步骤

我国早期的防火设计方法为基于试验的防火设计方法，根据试验结果确定构件的防火保护措施，该方法由于建筑功能越来越复杂，使得耐火等级、耐火极限确定变得困难，且采用试验方法得出的耐火极限比较粗略，没有反映钢构件的截面大小与形状以及受荷水平等因素的影响，导致早期的防火设计有时不太经济，有时又难以保证安全。鉴于上述防火设计方法的缺陷，钢结构防火设计方法于80年代开始向基于结构分析与耐火验算的钢结构防火设计方法转变。

钢结构耐火验算与防火设计的验算准则是基于承载力极限状态。发生火灾时钢结构的破坏，本质上是由火灾导致钢结构温度升高、钢材强度下降，从而致使钢结构不能继续承受外部荷载、作用而失效破坏。钢结构在火灾中构件的变形是显著大于常温受力状态的，故允许钢结构在火灾下发生较大的变形，不要求按正常使用极限状态进行验算。

钢结构的防火设计应根据结构的重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火验算或基于构件耐火验算的防火设计方法。

跨度不小于60m的大跨度钢结构，由于其受力、构造的复杂性，局部构件失效时有可能引起结构的连续性破坏甚至倒塌。预应力钢结构，由于其温度敏感性，热膨胀很有可能导致预应力的丧失，改变结构受力状态导致结构安全隐患，应在设计时予以特别的重视。故要求此类结构采用基于整体结构的耐火验算与防火设计方法。

基于构件耐火验算的防火设计方法的关键是计算钢构件在火灾下的内力。考虑到钢构件热膨胀型温度内力时，结构中诸多构件进入弹塑性受力状态或是受压失稳。对于钢框架结构中的梁、柱此类以受弯、拉弯和压弯等以弯曲变形为主的构件，当构件节点的连接承载力不低于构件截面的承载力时，可通过构件的塑性变形、大挠度变形来抵消其热膨胀变形，此种情形下可不考虑温度内力的影响。对于轴心受压构件，热膨胀将增大其内力并造成构件失稳。对于轴心受拉构件，热膨胀将减小轴心受拉构件的拉力。因此，对于以轴向变形为主的构件，应考虑热膨胀效应对其内力的影响。计算火灾下构件的承载力时，构件温度应取其截面的最高平均温度，并应采用结构材料在相应温度下的强度与弹性模量。

钢结构构件的耐火验算和防火设计，可采用耐火极限法、承载力法、临界温度法。

耐火极限法：在设计荷载作用下，火灾下钢结构构件的实际耐火极限不应小于其设计耐火极限（

t

≥

t

）。承载力法：在设计耐火极限时间内，火灾下钢结构构件的承载力设计值不应小于其最不利的荷载组合效应设计值（

R

≥

S

）。临界温度法：在设计耐火极限时间内，火灾下钢结构构件的最高温度不应高于其临界温度（

T

≥

T

）。

3.1 PKPM结构软件防火设计可采用承载力法、临界温度法计算

SATWE程序中防火设计步骤如下所示。

设计时，程序中前处理菜单中需进行如下操作，程序会根据规范要求进行荷载防火组合，并生成防火计算书。

①【前处理及计算】＞＞【参数定义】＞＞【设计信息2】中选择2017版钢标。

②【前处理及计算】＞＞【参数定义】＞＞【防火设计】中勾选是否进行抗火设计，并选择【建筑耐火等级】；构件的耐火等级决定着构件的耐火极限，详见表1。必要时可单独查看、修改构件的防火信息。

建筑的耐火等级 表1

③依据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）第6章确定【火灾升温曲线模型】，分为标准火灾升温曲线和烃类火灾升温曲线。

④根据实际情况确定【初始室内温度】。

⑤依据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）第6.2.1条确定【热对流传导系数】和【火灾升温计算步长】。钢结构热传导系数可取25，火灾升温计算步长取值不宜大于5。

⑥依据《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）第4.2节确定保护层的类型：截面周边型和截面矩型。应根据钢结构的结构类型、设计耐火极限、使用环境等因素，结合选用的喷涂（抹涂）防火涂料、包裹防火板、包裹柔性毡状隔热材料、外包混凝土或砌筑砌体等保护形式选择确定。

⑦根据防火材料供应商提供的材料参数及《钢结构防火涂料》（GB14907-2018）的要求，确定防火涂料类别和技术参数。主要分为膨胀型和非膨胀型。

荷载比是指火灾下结构或构件的荷载效应设计值与其常温下的承载力设计值的比值。构件的荷载比是影响构件耐火时间的主要因素之一。荷载比越接近于0，表明火灾下构件越不会出现破坏，除非融化。荷载比越接近于1，表明构件出现破坏时，所需要增加的温度越低。

3.2 YJK结构软件防火设计采用承载力法计算

YJK程序中防火设计步骤如下所示。

YJK程序中防火设计步骤：

①先不勾选防火验算，按常规设计流程进行计算，调整截面使钢构件强度、稳定满足；

②勾选防火验算，设置构件防火温度，指定构件耐火极限、防火材料性能指标；

③防火验算不满足后，可调整防火涂料厚度和提高防火材料热阻。

3.3 3D3S结构软件防火设计可采用承载力法、临界温度法计算

防火设计计算方法与PKPM和YJK类同，本文不再赘述。

3.4 软件对同一构件，两种计算方法计算结果相差较大

因为临界温度法计算时《建筑钢结构防火技术规范》（GB51249-2017）中表7.2.1～7.2.5-2均未提供强度或稳定荷载比R＜0.3和R＞0.9时的临界温度，则对于强度或稳定载比R＜0.3和R＞0.9时的构件，可能会出现两种方法计算结果当量相差较大的情况，此时应采用承载力法进行计算分析。

3.5 钢结构防火设计案例分析及其防火保护措施选用

安徽阜阳市颍泉区棚户区改造抱龙安置区二期12#～16#楼均为钢结构支撑结构体系住宅，其中13#、15#楼是26层，耐火等级为一级；12#、14#、16#是18层，耐火等级为二级。各类结构构件应根据表1耐火等级要求选取相应的耐火极限时间。本工程采用PKPM防火设计软件进行防火验算，经验算，钢结构构件的耐火极限经验算低于设计耐火极限，需采取防火保护措施。钢结构的防火保护措施应根据钢结构的结构类型、设计耐火极限或使用环境等因素综合确定，可采用下列一种或几种组合措施：

①喷涂（抹涂）防火涂料；②包覆防火板；③包覆柔性毡状隔热材料；④外包混凝土、金属网抹砂浆或砌筑砌体。本工程选用喷涂非膨胀型防火涂料进行防火保护。耐火等级为一级时，钢框架柱、钢支撑的防火涂料厚度为15mm，钢梁的防火涂料厚度为30mm，详见表2所示。

第20层防火涂料计算结果 表2

本工程要求非膨胀型防火涂料等效热传导系数不大于0.08W/m·℃，粘结强度不低于0.1MPa，抗压强度不低于1.5MPa，干密度不大于 620kg/m。根据强节点弱构件的概念设计要求，钢结构节点的防火保护应与被连接构件中防火保护要求最高者相同。

钢结构采用喷涂（抹涂）防火涂料保护时，应符合下列规定：室内隐蔽构件宜选用非膨胀型防火涂料；设计耐火极限大于1.50h的构件，不宜选用膨胀型防火涂料；室外、半室外钢结构采用膨胀型防火涂料时，应选用符合环境对其性能要求的产品；非膨胀型防火涂料涂层的厚度不应小于15mm；当钢结构表面喷涂防火涂料时，除锈后仅做底漆、中间漆，中间漆涂装后喷涂防火涂料，防腐涂料应与防火涂料相互兼容，并具有良好的附着力。采用喷涂非膨胀型防火涂料保护时，当有下列情况之一时，宜在涂层内设置与钢构件相连接的镀锌铁丝网或玻璃纤维布：①构件承受冲击、振动荷载；②防火涂料的粘结强度不大于0.05MPa；③构件的腹板高度大于500mm且涂层厚度不小于30mm；④构件的腹板高度大于500mm且涂层长期暴露在室外。

4 结语

在实际工程设计过程中，我们应严格遵循科学的设计方法、严格的防护措施，保证钢结构建筑物的防火安全性满足要求，为广大人民群众的生产、生活保驾护航。