建筑钢结构防火隔热涂层的设计应用分析

【摘要】本文着重介绍建筑钢结构防火涂料的应用范围和防火隔热涂层的设计计算方法，并举例演试防火隔热涂层厚度的计算过程，对建筑钢结构防火隔热涂层设计有一定的启示作用。

【关键词】 消防建筑钢结构防火隔热涂层 设计

Abstract：The article mainly introduce the application area of the fire resistive coating for steel strucure and the calculate method of Fire resistive heat insulating coating design. And take some examples to show the calculate process to the thickness of the Fire resistive heat insulating coating, which do some revelatory effects to the Fire resistive heat insulating coating for steel structure design.

Keywords：FireSteel StructureFire Resistive and Heat Insulation Coatingdesign

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

1 建筑钢结构防火隔热涂料

随着我国社会主义建设事业的飞速发展，自上世纪八十年代中期起，钢结构材料在建筑行业得到了广泛的应用。为了提高钢结构的耐火极限，减少火灾损失，建筑钢结构防火涂料在工程中开始推广应用。建筑钢结构防火涂料

钢结构防火涂料是施涂于建筑物或构筑物的钢结构表面的一种涂料，平时能起装饰表面和防腐抗锈作用，火灾时能形成耐火隔热保护层，阻止火焰热量的传播，提高钢结构的耐火极限，满足建筑防火设计要求。目前国内使用的钢结构防火涂料按其涂层厚度可分为三类：① 厚涂型钢结构防火涂料（H类），涂层厚度一般为7～45mm，粒状表面，密度较小，导热率低，耐火极限可达0.5～3.0h，又称为钢结构防火隔热涂料。② 薄涂型钢结构防火涂料（B类），涂层厚度一般为3～7mm，有一定的装饰效果，高温时膨胀形成耐火隔热层，耐火极限可达0.5～1.5h，又称为钢结构膨胀防火涂料。③ 超薄型钢结构防火涂料（CB类），涂层厚度一般在3mm以下，具有较好的装饰效果，高温时膨胀形成耐火隔热层，一般应用在耐火极限要求0.5～1.5h的钢结构。室内钢结构防火涂料应用于工业厂房与民用建筑中的室内钢结构件。室外钢结构防火涂料应用于石化企业等露天钢结构，具有良好的耐久性，满足室外使用环境要求。

2 钢结构防火隔热涂层的设计计算分析

钢结构材料在火焰高温的直接作用下，会造成材料结构强度快速下降，导致建筑构件失稳，形成局部或整体的垮塌。当钢结构的表面涂敷有一定厚度的防火隔热涂层时，将会大大延长火焰热传导的时间，防止了钢结构强度的快速下降，为灭火救援争取了时间。

如图所示为，涂敷有一定厚度的防火隔热涂层N与钢结构M的温度分布状况。

涂敷有防火隔热涂层钢结构的温度分布

图中以M表示钢结构件的金属厚度，N表示防火隔热涂层的厚度。可以看到，由于防火隔热涂层的导热系数远小于钢结构件的导热系数，在防火隔热涂层中温度下降十分明显，从而起到减少钢结构件受热的作用。

有防火隔热涂层钢结构的热传导问题是一个双重介质的不稳定 传热问题。为了简化分析，假设：

（1）火焰对隔热涂层的换热系数为常数，并等于换热系数的有效值；

（2）防火隔热涂层厚度不变；

（3）防火隔热涂层和钢结构件的物理性质不随温度保护；

（4）钢结构件的导热系数为无限大；

（5）钢结构件的外表面无热散失。

由于金属材料的导热系数比防火隔热涂层的导热系数几乎要大两个数量级，因此可以假定钢结构金属材料导热系数为无限大（），这样，钢结构金属材料的温度梯度近似为零，即钢结构内的温度沿厚度是不变的。也就是说钢结构金属材料与防火隔热涂层交界面上的温度就是钢结构的温度。于是，上述双层材料的传热问题就简化成了单层（防火隔热涂层）材料的传热问题。即可以按单面受热无限大平板传热问题来处理。

一维传热微分方程为

初始边界条件和边界条件为

；

根据上述初始边界条件和边界条件，利用拉普拉斯变换法求解传热微分方程得到：

式中：T为火焰温度；Ti为初始温度；Tn为防火隔热涂层防火隔热涂层内x处的温度；为隔热涂层的毕渥数；为隔热涂层的傅立叶数；Φi为下面超越方程的一系列正根

，其中

对于处，用上述公式求得的温度，即隔热涂层钢结构金属材料交界面上的温度，也就是钢结构金属材料的平均温度。

略去多次合理的近似简化过程，最后将隔热涂层与金属材料的相对温度差表示为只含三个参数的下面方程：

这样当已知隔热涂层和金属材料的厚度、热物理性能及火焰对隔热涂层的换热系数的有效值，就可以很容易求出钢结构金属材料的平均温度。同样，根据建筑钢结构金属材料的耐火等级要求，并保证在一定安全裕度条件下的平均温度 ，可以确定所需防火隔热涂层的厚度。

3 钢结构防火隔热涂层厚度计算举例

某钢厂热轧车间的建筑钢结构件，设计要求其在耐火极限范围内，钢结构的平均温度不超过300℃，耐火极限 试确定应敷设的防火隔热涂层的厚度。所选用的防火隔热涂层材料的热物理性质为： ，，，总换热系数的有效值，初温T=20℃。

钢结构的厚度

按照上述方法再进行第二次近似计算，求得隔热涂层的厚度为2.86mm。考虑到一定的安全裕度，可建议钢结构隔热涂层的设计厚度取3.0mm。

4 结束语

通过对建筑钢结构防火隔热涂层的设计应用分析，可以看出，在对建筑钢结构防火隔热涂层的设计时，当知道钢结构材料耐火温度时，可以方便地计算出防火隔热涂层的厚度；同样，当知道防火隔热涂层的厚度时，也可以求得材料的温度和耐火极限。这样就对建筑钢结构防火设计及结构防火性能的分析，提供了参考依据。

参考文献

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[2] McAdams，W。H。：Heat Transmission 。Third ed。，McGraw-Hill Book Co。，Inc。

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[3] 朱力平 消防工程师手册[M] 南京：南京大学出版社 2005

[4] 郭宽良 计算传热学[M] 合肥：中国科学技术大学 1988。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。