探讨钢结构防火设计

[摘 要]钢结构具有强度高、施工快捷、塑性韧性好、制造简便、装配高效等优点，但是钢材不耐高温，随着温度上升到一定程度，强度会大幅度下降，钢结构容易受火灾发生垮塌。因此，钢结构进行防火设计十分必要。

[关键词]钢结构；防火；设计

中图分类号：TE988.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0159-01

一、钢结构破坏原因分析

钢结构的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，到失去稳定性或完整性或绝热性止，这段抵抗火作用的时间。耐火极限是划分建筑耐火等级的基础数据，也是进行建筑物防火构造设计和火灾后制定建筑物修复方案的科学依据。根据傅里叶定律，热流强度q与温度梯度成正比，即q=-（λdt）/dx。也就是说，当构件表面受热时，由于导热系数λ较大，热可很快传到内部，因而温度梯度dt/dx很小，加之钢构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。因此，可以认为构件内部温度均匀分布，即使构件是非燃烧材料，由于钢材导热性好，局部或表面遭受火灾作用时，将迅速引起整个结构或构件温度急剧升高，构件产生膨胀且强度降低，导致构件降低或完全丧失承载能力。钢结构在高温下还会产生很大的塑性变形，形成局部破坏，最终造成钢结构建筑整体倒塌。

二、钢结构防火设计方法

随着人们对钢结构防火设计认识的不断深化和结构防火计算与设计理论研究的不断深入，钢结构防火设计的方法也在不断发展，可以大致分为以下四个阶段。

（一）基于试验的构件防火设计方法

这种方法以试验数据为依据，通过进行不同类型构件（梁和柱）在规定荷载分布与标准升温下的耐火试验，确定在采取不同防火措施（如防火涂料）后构件的耐火时间。通过进行一系列的试验可确定各种防火措施（包括同种防火措施不同防火程度，如不同防火涂料厚度）相应的构件耐火时间。进行结构防火设计时，可根据构件的耐火时间要求，直接选取对应的防火保护措施。基于试验的构件防火设计方法，简单、直观，应用方便，最初各国的钢结构防火设计均采用这种方法。实际上，我国现《建筑设计防火规范》关于钢梁和钢柱防火措施要求，也是基于这种方法。

（二）基于计算的构件防火设计方法

为考虑荷载的分布、大小及构件的端部约束状态对构件耐火时间的影响，可按所设计结构的实际情况进行一系列的构件耐火试验，但是费用昂贵。为解决基于试验的构件防火设计方法存在的问题，钢结构防火计算理论研究引起了很多研究者的重视，开展了大量的研究工作。理论研究以有限元为主，也有采用经典解析分析方法，基本建立了能考虑任意荷载方式和端部约束状态影响的钢结构防火设计方法。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家（组织）的钢结构设计规范采用。上海市工程建设规范《建筑钢结构防火技术规程》也采用这种方法。

（三）基于计算的结构防火设计方法

结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不意味着整体结构的破坏。特别是钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定的继续承载的能力。当结构防火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行防火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用方法被有关规范采纳。

（四）考虑火灾随机性的结构防火设计方法

现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构防火的概率可靠性设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构防火设计方法尚是有待研究的一个课题，是结构防火设计发展的一个方向。

三、钢结构防火应解决的问题

（一）结构在火灾中的整体研究

结构的主要作用是作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏，特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理。

（二）结构防火计算模型与真实火灾差别较大

真实火灾中，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，构件受火在结构中会产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。因此还需要完善钢结构构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模型。只有通过研究不断完善的计算模型，才能确定与我国结构设计相适应的计算模式。现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。

（三）钢结构防火涂料的问题

因防火涂料成分、理化性能及防火阻燃性能指标不同，其使用对象也不同，使用范围有一定局限性；涂层厚度应既能达到防火阻燃，又能节省投入。我国虽开发了不少种类的钢结构防火材料，但由于采用标准耐火试验确定其性能，尚未系统研究这些材料的热参数随温度升高的变化规律以及保护层厚度的计算方法。

四、钢结构的防火保护方法

钢结构的防火保护主要有外包敷隔热屏蔽方法、自动喷水灭火系统和充水冷却保护三种方式。国内外的相关研究主要集中在外包敷隔热屏蔽方法方面。

（一）国外在上世纪70年代对钢结构防火涂料的研究和应用开展了积极的工作并取得了许多实用成果。而采用防火板等方式保护则早在80年前就已开始应用。40年代美国研制出硅酸钙保温绝热材料，90年代，丹麦和德国研制出工作温度高达1100℃的无岩棉硅酸钙绝热材料。

（二）在我国，公安部天津和四川消防科学研究所、中国建筑科学研究院等单位自20世纪80年代以来，对钢结构的防火保护进行了系统研究，取得了大量成果。在防火涂料研究方面，1985年研制出钢结构防火隔热涂料，1987年研制出薄型钢结构膨胀防火涂料，1994年研制出室外钢结构防火隔热涂料和室外钢结构膨胀防火涂料。此外，我国对钢结构防火涂料耐候性、耐久性方面也开展过一些究。在防火涂料研制出来以前，我国建造的钢结构建筑的防火保护主要采用蛭石混凝土板、珍珠岩板、石棉水泥板和石膏板等防火保护板材。随着人们对人身健康和环境问题的日益重视，近年来，采用无石棉的硅酸石结构型防火板对钢结构进行保护是新的发展方向。

（三）在采用自动喷水灭火系统保护方面，主要是针对大空间或大跨度的屋架部分。对于空心钢结构，也有采用在火灾时在其内部充入循环水进行冷却保护。

钢结构防火设计在建筑设计中尤为重要的，火灾一旦发生，后果极其严重。所以在设计钢结构构件时，应该根据建筑的实际情况，规范的确定建筑的耐火等级，然后按耐火等级来确定构件耐火极限，再选择经济并安全的防火设计，从而减小火灾造成的损失及伤害。