建筑钢结构防火设计分析与研究

摘要：

描述了钢结构的应用现状, 分析出钢结构在设计过程中和使用过程中存在的问题。阐述了基于试验的传统钢结构防火设计和基于计算的现代钢结构防火设计的方法和优缺点, 同时介绍了常用的钢结构保护措施, 提出了今后在防火设计和防火措施方面需要解决的问题。

关键词：防火设计;钢结构;保护措施; 1 引言

钢结构建筑因其自重轻，抗震性能好，装配化程度高，施工进度快等特点，近年来得到广泛应用。钢材属于不燃烧材料，但在火灾条件下，通常钢材的临界温度仅为550℃，不加防护的钢结构耐火极限为15 min左右，火灾时钢结构将会发生大的变形，从而失去承载能力。因此，钢结构防火设计尤为重要。本文根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018版）、GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》有关要求，将钢结构进行防火设计处理，防止钢结构在火灾中迅速升温发生变形而倒塌。

2 建筑钢结构防火的要求

理论上说，没有烧不垮的建筑，只是坚持的时间长短而已。建筑钢结构防火就是保证火灾时建筑钢结构在一定时间内不破坏，因此，建筑钢结构防火应根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）对建筑类别及其火灾危险性合理定性，确定建筑物的耐火等级及其建筑构件的耐火极限和燃烧性能等，建筑构件的燃烧性能和耐火极限决定了整体建筑的耐火等级。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）附录中注9：无防火保护层的钢梁、钢柱、钢楼板和钢屋架，其耐火极限只有0.25 h[1]。可见钢材的耐火性能极差，钢结构非常怕火，火灾下钢材强度，刚度快速衰减。无保护状态下15 min几乎丧失承载能

力，所以建筑钢结构需进行防火设计，目前建筑钢结构最常用防火措施就是在钢结构表面敷设防火涂料。

3 建筑钢结构防火设计方法

钢结构设计包含两大部分验算:承载能力极限状态和正常使用极限状态。上述验算主要涉及的计算参数有:荷载、材料力学性能;主要计算指标有:受力(内力/应力)和变形。结构防火设计最大的特点在于除恒载、活载、风荷载等荷载外,还要考虑火灾引起高温环境的影响,也称作火灾作用。

1）耐火极限法是构件的模拟实验法，即在荷载作用下直接“烧”出构件的实际耐火极限。此方法是GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）采用的主要方法，也是目前建筑施工图设计中应用最广泛的方法。但GB 50016—2014《建筑防火设计规范》（2018年版）附录中的数值未考虑构件的大小和截面形状，实际荷载和结构构件间的约束关系，广泛用于具体工程设计中欠妥。

2）承载力法或临界温度法都是在实验基础上总结出来的理论计算方法。承载力法以承载力为指标，要求构件在耐火时间内满足耐火承载力极限状态的要求。而临界温度法则是以温度计算为核心，火灾下钢构件最高温度不得超过其临界温度。按GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中7.1、7.2条的规定进行设计计算，也可采用相关的计算软件计算。PKPM采用临界温度法进行构件耐火验算，原理上不能实现有多余约束的轴力杆体系耐火计算。在计算有多余约束的轴力杆件时，因为轴力杆件刚度变化引起内力重分布，必须结合承载力法才能得到构件的升温刚度，这种情况下采用临界温度法是欠妥的。YJK（北京盈建科）采用承载力法进行构件耐火验算，3D3S（同济大学）同时采用承载力法和临界温度法进行构件耐火验算，符合GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.2.5条规定，采用临界温度法进行构件耐火验算时，需要定义防火涂料类型。

3）依据GB 50017—2017《钢结构设计标准》第18.1.3条及GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.14、强条第3.2.1条的规定，钢结构的防火设计当采用非膨胀性防火涂料作防火保护时，应给出防火保护的设计厚度和防火保护材料的等效热传导系数的设计值。当采用膨胀型防火涂料时，应给出防火

保护层的等效热阻值，业主单位可依据消防产品厂商提供的防火保护层的等效热阻值-厚度对应表，根据等效热阻值确定防火保护层的厚度。

4 建筑钢结构防火涂料

依据GB 14907—2018《钢结构防火涂料》，钢结构防火涂料一般分为膨胀型和非膨胀型2种。膨胀型又称为薄型防火涂料（厚度小于或等于3 mm为超薄型，小于或等于7 mm为薄型），该类防火涂料由有机树脂为基料，再配以发泡剂、阻燃剂、成碳剂等，遇火后自身发泡膨胀，形成多孔碳化层可阻挡外部热源对基材的传热，起到绝热屏障的作用。但随着时间延长，部分有机物发生分解、降解，“老化”失效，涂层出现粉化、脱落，其耐久性较差，对耐火性能要求较高的建筑和构件不宜选用。膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～2.0 h。非膨胀型又称为厚型防火涂料（厚度一般为7～50 mm），该类防火涂料由多孔轻质无机绝热材料为基料，再配以无机黏结剂等，涂层的物理化学性能稳定，遇火不膨胀，其防火机理利用涂层良好的绝热性以及高温下部分成分的蒸发分解等烧蚀反应而产生的吸热作用，来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，延缓钢构件升温。非膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～3.0 h。

膨胀型和非膨胀型2种防火涂料性能对比见图1。

图1 2类涂料性能对比

一般室内用溶剂性膨胀型普通钢结构防火涂料，室外用水基性非膨用型特种钢结构防火涂料或者环氧类膨胀型防火涂料。某些特殊构件如柔性支撑、拉索等

截面较小，用非膨胀型防火涂料附着厚度不可能达到该类防火涂料要求；用膨胀型防火涂料附着厚度薄，膨胀效果差，防火效果不好；故宜采用柔性毡状隔热材料。

钢结构防火涂料与防锈漆兼容是钢结构防火保护的技术难题。在实际工程中，为了节约成本，大量钢结构公司选用调和漆作为防锈漆。调和漆漆膜附着力差，容易空鼓、脱落，因此建议采用环氧类涂料作为防锈漆。

5 防火设计存在的问题及性能化措施

(1) 疏散宽度是当前建筑钢结构防火设计的突出问题。该类型问题主要是集中在建筑钢结构的建筑内容中, 很容易造成火灾灾害上升。在对上述内容进行性能优化的过程中, 设计人员要对展厅结构进行分析, 在建筑楼梯间设置疏散通道, 提高疏散出口的疏散质量。疏散楼梯间设置完成后, 设计人员要对建筑的安全性进行验证, 当安全系数不符合性能要求时要合理拓展疏散宽度。

(2) 主体建筑大楼中庭高度不符合标准设计要求也是造成防火设计问题多发的常见原因。在对主体建筑大楼进行设计的过程中, 设计人员要针对建筑大楼中庭高度, 依照GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》《要求, 对防火机械排烟、防火设施安置合理控制。

(3) 建筑结构主体建筑效益较差, 主体防火结构复杂已经成为阻碍防火设计的重要部分。建筑结构主体部分防火设计的过程中, 相关人员要对防火设计及空间设计的特殊性进行处理, 根据防火要求及防火措施对火灾烟雾进行模拟计算, 保证及时完成补风量控制及排烟量控制。要依照人员安全要求及人员管理要求, 对补风量进行控制。

结语

结合建筑钢结构防火设计相关新规范的施行和设计计算要求,本文对建筑防火设计相关的规范和基于结构耐火承载力极限状态验算的钢结构防火设计方法进行基本了介绍,并重点介绍了基于耐火验算的钢结构防火设计流程和设计要点。

参考文献

[1]宋谦益.建筑结构防火设计规范及要点[J].建筑结构,2020, 50(24):1-10.