钢结构防火设计

摘要：从钢结构防火设计的概述，燃烧原理及火灾产生原因，钢结构在火灾中的破坏过程，钢结构防火设计的意义、原则，防火涂料的分类、选用原则等多个方面介绍了钢结构防火的设计思路和设计原则

关键词：防火设计

1钢结构防火设计的概述

建筑钢材强度高、自重轻，加上钢结构具有制作简便、施工工期短等优点，适用于各种工程结构，因而在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。但是钢结构耐火性能很差，钢材虽为非燃烧材料，但却易导热、怕火烧。未做防火处理的钢结构发生火灾后，结构垮塌很快, 其耐火极限仅为15～20分钟。因此防火是钢结构设计十分重要的部分。钢结构防火设计是选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的升温不超过其临界温度而确保耐火稳定性。防火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

2燃烧原理及火灾产生原因

2.1燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应。燃烧必须包括三个基本要素，即可燃物质、助燃物（空气、氧气或氧化剂）和火源（如高温、火星或火焰等）。

2.2人们所看到的燃烧现象，往往实际并不是物质本身在燃烧（除了组成和结构简单的可燃气体，如氢气之外），而是物质在受热分解出的气体或液体蒸气在气相中的燃烧，有机聚合物固体在燃烧时，一般均有下列过程：可燃固体发生熔融和热分解，形成一个凝聚和热分解区，析出可燃性气体，并同时放热；可燃气体和助燃剂混合并受到进一步的加热（预热）；经预热的混合空气达到燃点后开始燃烧，同时放出大量的热，由燃烧时放出的热量又反过来对可燃固体及其分解放出的气体进行加热，于是形成一个循环过程，使燃烧愈来愈猛烈。 当燃烧不可控制时，就会形成火灾。为了阻止燃烧的进行，必须切断燃烧过程中的三个要素中的任何一个。

3钢结构在火灾中的破坏过程

建筑用钢（Q235、Q345钢等）在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540oC左右。钢材的力学性能随温度的不同而变化。当温度升高时，钢材的屈服强度（fy）、抗拉强度（fu）和弹性模量（E）的总趋势是下降的。

a)钢材温度在150oC以下时，变化不大；

b)当温度在250oC左右时，钢材的fu反而有较大提高，但这时的相应伸长率（δ）较低、冲击韧性变差，钢材在此温度范围内破坏时常呈常呈脆性破坏特征，称为“蓝脆”；

c)当温度超过300oC时，钢材的fu、fy和E开始显著下降，而δ开始显著增大，钢材产生徐变；

d)当温度超过400oC时，强度和弹性模量都急剧降低；

e)当温度超过500oC时，其强度下降到40%~50%，钢材的力学性能（屈服点、抗压强度、弹性模量等）迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度。

4钢结构防火设计的意义：

a)减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。

b)避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡

c)减少火灾后的修复费用，缩短灾后结构功能的恢复周期，减少间接经济损失。

5钢结构防火设计原则

5.1 钢结构的防火设计应符合国家《建筑设计防火规范》及《石油化工企业设计防火规范》等的有关规定。建筑师应根据规范慎重并合理地确定建筑的防火类别与防火等级。

5.2钢结构的防火设计是在采用各种防火措施的条件下，能保证钢结构在规范所规定的耐火极限时间内，其承载力仍不小于各种作用和组合效应。

6钢结构防火保护方法主要分为两种：截流法和疏导法。

6.1 截流法：是截断或阻滞火灾产生的热量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内升高的温度不超过其临界温度。做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的热量首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好的阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

6.1.1喷涂法：是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。防火涂料涂层本身多孔轻质，并且受热后形成炭化泡沫层，能有效的阻止热量迅速向钢结构传递；涂层吸热后部分物质分解放出水蒸气或其他不燃气体，也起到消耗热量、降低火焰温度和稀释氧气的作用。

6.1.2包封法：是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，具体做法如下：

用现浇混凝土、砂浆和胶泥做耐火保护层。这种材料既有不燃性，又有较大热容量，减缓构件升温效果很好。

用矿物纤维（石棉、岩棉和矿渣棉）做耐火保护层。具体做法是将矿物纤维和水泥混合，用特殊喷枪与水的喷舞同时向底部喷涂，构成海绵状的覆盖层。

用耐火轻质板作为防火外包层。钢结构防火用板材分为两类：一类为密度大、强度高的薄板，如短纤维增强的各种水泥压力板；另一类是密度较小的厚板，如轻质硅酸钙防火板及膨胀蛭石防火板。板材不同厚度与不同构造的耐火性能、时限等，均应有国家检测机构的检测认定。防火板由工厂加工，它的表面平整，装饰性好。可采用钉合及黏合剂黏合。

6.1.3屏蔽法：把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，火灾时可使钢结构升温大为延缓，大大提高钢结构耐火能力。

6.1.4水喷淋法：在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，会启动开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。

6.2疏导法：是在热量传到构件上后，设法把热量导走或消耗掉，使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。主要是充水冷却保护法，钢结构设计时构件采用空心封闭截面，在空心截面中充满水，发生火灾时构件把吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度便可保持在100oC左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。但由于对结构设计有专门的要求，造成钢结构截面较大，目前实际应用很少。

6.3以上介绍的各种防火保护方法各有特点。采用防火涂料进行阻燃的方法被认为是有效的措施之一， 目前90%左右的钢结构防火工程做法是应用防火涂料。

7防火涂料的分类

钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义：从基材来分，可分为有机和无机防火涂料；根据防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚型、薄型、超薄型钢结构防火涂料。

8钢结构防火涂料的选择及注意事项

8.1 实际工程中选用的防火涂料必须有国家检测机构对其耐火性能认可的检测报告及生产许可证。

8.2民用建筑及大型公用建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火，由建筑师与结构工程师按建筑物耐火等级及耐火时限，根据《钢结构防火涂料应用技术规范》选用涂料的类别及构造做法。

8.3选用时宜优先选用薄涂型防火涂料，选用厚涂型涂料时，其外需做装饰面层隔护。装饰要求较高的部位可选用超薄型防火涂料。

8.4重要的钢柱构件采用防火涂料保护时，一般应采用厚涂型防火涂料，且节点部位宜做加厚处理。当所用防火涂料的粘接强度小于0.05Mpa时，涂层内应设置与钢构件相连接的钢丝网。

8.5防火涂料的施工应由专业队伍承担，并按《钢结构工程施工质量验收规范》及《钢结构防火涂料应用技术规程》检查验收。

9以上从钢结构防火设计的概述，燃烧原理及火灾产生原因，钢结构在火灾中的破坏过程，钢结构防火设计的意义、原则，防火涂料的分类、选用原则等多个方面介绍了钢结构防火的设计思路和设计原则

我们在做钢结构防火的设计的时候要认真遵循，为用户提供安全可靠的优秀设计。

参考文献:

[1]《钢结构防火涂料应用技术规范》 CECS 24_90

[2]《钢结构设计规范》GB50017-2003

[3] 《建筑设计防火规范》GB50016-2006

[4] 《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008

[5] 《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205_2001

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工程师 1998年7月毕业于辽宁工学院建筑工程系工民建专业，现从事结构工程设计