《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》解讀及應(yīng)用

中交第三航務(wù)工程勘察院有限公司，上海 200032

1 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不斷的成熟，煉鋼技術(shù)不斷的提高，鋼材的成本不斷的降低，鋼結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，同時(shí)因?yàn)殇摬淖灾剌p，工期短，環(huán)?？裳h(huán)再次利用等優(yōu)點(diǎn)也被大力提倡和推行，鋼已成為我國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要材料的一部分。

2015 年5 月1 日，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014開始正式實(shí)施，與此同時(shí)原《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2006 與《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》一起廢止。從此，一本規(guī)范統(tǒng)一了建筑防火的規(guī)定。2017 年7 月31 日發(fā)布了《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》 GB51249-2017，提高了對防火設(shè)計(jì)的要求和規(guī)定。

2 歐標(biāo)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)升溫特性研究對《規(guī)范》的影響

2.1 歐標(biāo)規(guī)范鋼抗火實(shí)驗(yàn)

目前對于鋼構(gòu)抗火實(shí)驗(yàn)主要有兩種：定載升溫實(shí)驗(yàn)及定溫升載實(shí)驗(yàn)。

普遍實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到：在低于250℃的外部狀態(tài)下，鋼材的力學(xué)特性無特別大的變化，彈性模量及屈服強(qiáng)度基本恒定不變，當(dāng)外部溫度達(dá)到250℃時(shí)鋼材發(fā)生藍(lán)脆，繼續(xù)升高溫度達(dá)到250℃以上時(shí)，鋼材力學(xué)特性緩步下降，塑性力學(xué)特性緩步提高，外部溫度達(dá)到300℃時(shí)鋼構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變未見明顯屈服點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下應(yīng)變出現(xiàn)明顯蠕變性，應(yīng)變主要由蠕變應(yīng)變、瞬時(shí)應(yīng)變和膨脹應(yīng)變組成。

2.2 歐標(biāo)規(guī)范鋼抗火模型

鋼應(yīng)力應(yīng)變模型有分段直線模型和連續(xù)光滑模型兩類。分段直線模型較為簡單，便于操作使用，連續(xù)較復(fù)雜，現(xiàn)今普遍認(rèn)可的模型主要有Ramberg-Osgood模型及Douns模型等。歐洲規(guī)范EUROCODE 應(yīng)力應(yīng)變模型為分段模型，如下表1 所示：

其中fyT為溫度達(dá)到Ts時(shí)的屈服強(qiáng)度；fpT為溫度達(dá)到Ts時(shí)的比例極限；εlT為溫度達(dá)到時(shí)鋼材屈服強(qiáng)度相應(yīng)的最大應(yīng)變；εuT為溫度達(dá)到時(shí)鋼材的極限應(yīng)變。模型公式顯示鋼在高溫下沒有特定的屈服平臺。鋼屈服應(yīng)力取值為應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的應(yīng)力。

表1 eurocode 高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)對ASTM A36 鋼的高溫試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如下圖1

圖1 ASTM A36 鋼的高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由于溫度達(dá)到300℃后，鋼材已屈服段特征，對于設(shè)計(jì)及研究需要一個(gè)鋼材的名義屈服強(qiáng)度作為定值。一般采用塑性殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力來作為鋼材名義屈服強(qiáng)度（常溫取0.2%應(yīng)變），詳見下圖2

圖2 鋼材高溫名義屈服強(qiáng)度定義

我國對0.2%，0.5%，1.0%等名義應(yīng)變水平高溫屈服強(qiáng)度并按規(guī)范公式計(jì)算各種溫度情況下鋼屈服強(qiáng)度折減系數(shù)ηsT和彈性模量折減系數(shù)χsT，這些都成為了 《規(guī)范》建立的基石，才有了規(guī)范的三大抗火計(jì)算方法，耐火極限法、承載力法和臨界溫度法。

3 依據(jù)《規(guī)范》條文防火設(shè)計(jì)比較

3.1 防火設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)在普遍可用的及規(guī)范提及的防火設(shè)計(jì)方法主要有2 種：a.主要通過實(shí)驗(yàn)的方法，通過進(jìn)行各種類型材料在一定的荷載分布與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的耐火試驗(yàn)，確定在不同防火防護(hù)措施下各種構(gòu)件的耐火時(shí)間，再根據(jù)不同的耐火時(shí)間要求，采取相應(yīng)的防火措施。b.主要通過現(xiàn)在一些有限元軟件，依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》要求，運(yùn)用承載力法或者臨界溫度法的計(jì)算方法，以建立的各種端部約束狀態(tài)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行火災(zāi)中承載力極限狀態(tài)的抗火設(shè)計(jì)。

3.2 防火設(shè)計(jì)步驟

先假定一定的防火材料覆蓋方式，計(jì)算鋼構(gòu)件在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間條件下的內(nèi)部溫度，通過高溫下的材料性能參數(shù)及構(gòu)件外荷載及溫度力的作用，進(jìn)行荷載組合并區(qū)分受載構(gòu)件的類型，進(jìn)行鋼構(gòu)防火承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算，最后確定防火材料的厚度。

3.3 防火設(shè)計(jì)實(shí)例比較

假設(shè)有一簡支鋼梁截面為H550×200×10×16，Q235 鋼，在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下燃燒20min，試算無防護(hù)措施及有膨脹型薄型防火涂料條件下，鋼結(jié)構(gòu)的軸力的區(qū)別及變化。

3.3.1 無防火保護(hù)鋼構(gòu)件情況

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）（6.2.1-1）公式

此公式為外部熱煙氣溫度引起的鋼構(gòu)內(nèi)部溫度迭代公式；

另《規(guī)范》6.2.1條文說明，表9，截面形狀系數(shù)F/V=（2h+3b-2t）/A=（2×0.55+3×0.2-2×0.010）/117.25×10-4=143.28m-1；《規(guī)范》在6.2.1 條文說明中表10 中也給出了迭代公式結(jié)果表格.火災(zāi)時(shí)間20min，空氣熱煙氣溫度為781℃，鋼材中心溫度為Ts=712.4℃；《規(guī)范》在5.1.2 公式中：當(dāng)300 ℃＜Ts＜800 ℃時(shí)ηsT=1.24×10-8T3s-2.096×10-5T2s+9.228×10-3Ts-0.2168=0.203

3.3.2 采用膨脹型薄型防火涂料鋼構(gòu)件情況

《規(guī)范》5.3.2 公式

此公式是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的得到的鋼構(gòu)件實(shí)測升溫曲線計(jì)算，不同的厚度及不同的材料對應(yīng)不同的等效熱阻。根據(jù)試件A，試件截面為200mm×270mm×16mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)記錄爐溫和試件側(cè)溫，得到溫度升溫時(shí)間曲線如下圖3，由此計(jì)算18mm 厚膨脹型薄型防火涂料熱阻。

圖3 18mm 厚膨脹型薄型防火涂料升溫曲線

根據(jù)公式計(jì)算得到試件A 防火涂料等效熱阻為Ri=0.2（m2·℃/W）

《規(guī)范》 6.2.2 條文說明表15，火災(zāi)時(shí)間20min，空氣熱煙氣溫度為781℃，鋼材中心溫度為Ts=116.7℃；《規(guī)范》在5.1.2 公式中：當(dāng)20℃≤Ts ≤300℃時(shí)ηsT=1.0；即高溫下結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度值不折減。

3.3.3 兩種結(jié)果對比

在未采用任何保護(hù)的鋼構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線中，當(dāng)曝火時(shí)間為20min 時(shí)，鋼構(gòu)的強(qiáng)度基本只剩下20%；而如果涂抹膨脹型薄型防火涂料，當(dāng)鋼構(gòu)件曝火，熱阻值隨時(shí)間緩步增長，在阻燃的同時(shí)放出阻燃?xì)怏w，能很好的阻隔熱煙氣對鋼構(gòu)的熱量傳遞，基本鋼構(gòu)的強(qiáng)度沒有折減。熱阻的數(shù)值衡量了涂料的防火效果，是表征其防火能力的重要指標(biāo)

4 市場普遍防火材料及措施

目前市場上防火措施多種多樣，使用最多的三大類：超薄型防火涂料、薄型防火涂料、厚型防火涂料。

4.1 超薄型防火涂料

該類防火涂料為溶劑型材料，涂料厚度一般小于3mm，具有裝飾外觀好，耐水性能強(qiáng)，流動(dòng)性好，粘結(jié)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，在高溫環(huán)境下受熱膨脹，從而形成堅(jiān)硬致密的隔熱層。一般施工方法為噴涂和刷涂，施工難度低，周期短，成本小。其相對于厚型防火涂料及薄型防火涂料有較大優(yōu)勢，目前超薄型防火涂料已被普遍使用。

4.2 薄型防火涂料

該類防火涂料由合適的水性聚合物為基料，再配以阻燃劑復(fù)合體系、耐火纖維、防火添加劑混合而成。涂料厚度一般為2mm～7mm之間。遇火膨脹隔熱，產(chǎn)生惰性氣體，但該涂料對鋼材的水性聚合性能有較高要求，要求鋼材有較好的基材附著性、耐水性以及耐久性，耐火極限一般為2h，與厚型涂料相比在裝飾性方面有較好的優(yōu)勢，但弱于超薄型防火涂料。

4.3 厚型防火涂料

該類防火涂料基料大都都是無機(jī)物，成本低廉，涂料涂層厚度在8mm～50mm 范圍，耐火極限為0.5h～3h，火災(zāi)時(shí)它的阻燃性能是依靠其不燃性、吸熱性和低導(dǎo)熱性來阻絕鋼材升溫，其本身不產(chǎn)生煙氣，綠色環(huán)保，但美觀性相對其他類涂料差。

5 結(jié)論

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》基本采用結(jié)構(gòu)分析與耐火鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法，總的來說與歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS 歐標(biāo)規(guī)范采用的思路與方法相同；防火涂料對裸露的鋼構(gòu)件火災(zāi)保護(hù)比較強(qiáng)，能有效防止火災(zāi)對鋼構(gòu)件強(qiáng)度折損，且等效熱阻是衡量防火涂料的重要參數(shù)；市面上防火措施與材料眾多，設(shè)計(jì)者需了解每種材料與特點(diǎn)，根據(jù)施工成本施工進(jìn)度及計(jì)劃合理的選取防火措施與材料。