鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)應(yīng)用探析
——以安徽阜陽市潁泉區(qū)棚戶區(qū)改造抱龍安置區(qū)二期為例

郭世卿 （安徽寰宇建筑設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著建筑使用功能的日益復(fù)雜，導(dǎo)致建筑防火形勢(shì)越來越嚴(yán)峻，建筑防火設(shè)計(jì)應(yīng)引起各方重視，其中鋼結(jié)構(gòu)房屋的防火更應(yīng)注重防火設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)自重較輕、強(qiáng)度利用率高、抗震性能優(yōu)異，便于批量加工制作，施工速度快，是建筑中應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)形式之一。與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)在某些方面也存在一些不足，特別是鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差。鋼結(jié)構(gòu)防火性能差，形成的原因主要有以下兩個(gè)方面：一是鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)大，火災(zāi)下鋼構(gòu)件升溫快；二是鋼材強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低。無防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間通常僅為15min～20min，故在火災(zāi)中容易被破壞。因此，為了防止和減少建筑鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的防火設(shè)計(jì)，采取安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防火保護(hù)措施。本文就鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討，并列出常用軟件的防火設(shè)計(jì)步驟，希望對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)工程人員有所幫助。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火基本要求

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)耐火極限能否達(dá)到要求，是關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)防火安全的重要指標(biāo)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)耐火極限應(yīng)根據(jù)建筑的耐火等級(jí)按表1進(jìn)行取值，并應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中注明。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)步驟

我國早期的防火設(shè)計(jì)方法為基于試驗(yàn)的防火設(shè)計(jì)方法，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定構(gòu)件的防火保護(hù)措施，該方法由于建筑功能越來越復(fù)雜，使得耐火等級(jí)、耐火極限確定變得困難，且采用試驗(yàn)方法得出的耐火極限比較粗略，沒有反映鋼構(gòu)件的截面大小與形狀以及受荷水平等因素的影響，導(dǎo)致早期的防火設(shè)計(jì)有時(shí)不太經(jīng)濟(jì)，有時(shí)又難以保證安全。鑒于上述防火設(shè)計(jì)方法的缺陷，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法于80年代開始向基于結(jié)構(gòu)分析與耐火驗(yàn)算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。

鋼結(jié)構(gòu)耐火驗(yàn)算與防火設(shè)計(jì)的驗(yàn)算準(zhǔn)則是基于承載力極限狀態(tài)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的破壞，本質(zhì)上是由火災(zāi)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)溫度升高、鋼材強(qiáng)度下降，從而致使鋼結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)承受外部荷載、作用而失效破壞。鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中構(gòu)件的變形是顯著大于常溫受力狀態(tài)的，故允許鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下發(fā)生較大的變形，不要求按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。

鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)類型和荷載特征等選用基于整體結(jié)構(gòu)耐火驗(yàn)算或基于構(gòu)件耐火驗(yàn)算的防火設(shè)計(jì)方法。

跨度不小于60m的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，由于其受力、構(gòu)造的復(fù)雜性，局部構(gòu)件失效時(shí)有可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)性破壞甚至倒塌。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，由于其溫度敏感性，熱膨脹很有可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的喪失，改變結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全隱患，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)予以特別的重視。故要求此類結(jié)構(gòu)采用基于整體結(jié)構(gòu)的耐火驗(yàn)算與防火設(shè)計(jì)方法。

基于構(gòu)件耐火驗(yàn)算的防火設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵是計(jì)算鋼構(gòu)件在火災(zāi)下的內(nèi)力?？紤]到鋼構(gòu)件熱膨脹型溫度內(nèi)力時(shí)，結(jié)構(gòu)中諸多構(gòu)件進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)或是受壓失穩(wěn)。對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)中的梁、柱此類以受彎、拉彎和壓彎等以彎曲變形為主的構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的連接承載力不低于構(gòu)件截面的承載力時(shí)，可通過構(gòu)件的塑性變形、大撓度變形來抵消其熱膨脹變形，此種情形下可不考慮溫度內(nèi)力的影響。對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，熱膨脹將增大其內(nèi)力并造成構(gòu)件失穩(wěn)。對(duì)于軸心受拉構(gòu)件，熱膨脹將減小軸心受拉構(gòu)件的拉力。因此，對(duì)于以軸向變形為主的構(gòu)件，應(yīng)考慮熱膨脹效應(yīng)對(duì)其內(nèi)力的影響。計(jì)算火災(zāi)下構(gòu)件的承載力時(shí)，構(gòu)件溫度應(yīng)取其截面的最高平均溫度，并應(yīng)采用結(jié)構(gòu)材料在相應(yīng)溫度下的強(qiáng)度與彈性模量。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗(yàn)算和防火設(shè)計(jì)，可采用耐火極限法、承載力法、臨界溫度法。

耐火極限法：在設(shè)計(jì)荷載作用下，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際耐火極限不應(yīng)小于其設(shè)計(jì)耐火極限（

t

≥

t

）。承載力法：在設(shè)計(jì)耐火極限時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于其最不利的荷載組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值（

R

≥

S

）。臨界溫度法：在設(shè)計(jì)耐火極限時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最高溫度不應(yīng)高于其臨界溫度（

T

≥

T

）。

3.1 PKPM結(jié)構(gòu)軟件防火設(shè)計(jì)可采用承載力法、臨界溫度法計(jì)算

SATWE程序中防火設(shè)計(jì)步驟如下所示。

設(shè)計(jì)時(shí)，程序中前處理菜單中需進(jìn)行如下操作，程序會(huì)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行荷載防火組合，并生成防火計(jì)算書。

①【前處理及計(jì)算】＞＞【參數(shù)定義】＞＞【設(shè)計(jì)信息2】中選擇2017版鋼標(biāo)。

②【前處理及計(jì)算】＞＞【參數(shù)定義】＞＞【防火設(shè)計(jì)】中勾選是否進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)，并選擇【建筑耐火等級(jí)】；構(gòu)件的耐火等級(jí)決定著構(gòu)件的耐火極限，詳見表1。必要時(shí)可單獨(dú)查看、修改構(gòu)件的防火信息。

建筑的耐火等級(jí) 表1

③依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）第6章確定【火災(zāi)升溫曲線模型】，分為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線和烴類火災(zāi)升溫曲線。

④根據(jù)實(shí)際情況確定【初始室內(nèi)溫度】。

⑤依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）第6.2.1條確定【熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)】和【火災(zāi)升溫計(jì)算步長】。鋼結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)系數(shù)可取25，火災(zāi)升溫計(jì)算步長取值不宜大于5。

⑥依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）第4.2節(jié)確定保護(hù)層的類型：截面周邊型和截面矩型。應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計(jì)耐火極限、使用環(huán)境等因素，結(jié)合選用的噴涂（抹涂）防火涂料、包裹防火板、包裹柔性氈狀隔熱材料、外包混凝土或砌筑砌體等保護(hù)形式選擇確定。

⑦根據(jù)防火材料供應(yīng)商提供的材料參數(shù)及《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》（GB14907-2018）的要求，確定防火涂料類別和技術(shù)參數(shù)。主要分為膨脹型和非膨脹型。

荷載比是指火災(zāi)下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值與其常溫下的承載力設(shè)計(jì)值的比值。構(gòu)件的荷載比是影響構(gòu)件耐火時(shí)間的主要因素之一。荷載比越接近于0，表明火災(zāi)下構(gòu)件越不會(huì)出現(xiàn)破壞，除非融化。荷載比越接近于1，表明構(gòu)件出現(xiàn)破壞時(shí)，所需要增加的溫度越低。

3.2 YJK結(jié)構(gòu)軟件防火設(shè)計(jì)采用承載力法計(jì)算

YJK程序中防火設(shè)計(jì)步驟如下所示。

YJK程序中防火設(shè)計(jì)步驟：

①先不勾選防火驗(yàn)算，按常規(guī)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整截面使鋼構(gòu)件強(qiáng)度、穩(wěn)定滿足；

②勾選防火驗(yàn)算，設(shè)置構(gòu)件防火溫度，指定構(gòu)件耐火極限、防火材料性能指標(biāo)；

③防火驗(yàn)算不滿足后，可調(diào)整防火涂料厚度和提高防火材料熱阻。

3.3 3D3S結(jié)構(gòu)軟件防火設(shè)計(jì)可采用承載力法、臨界溫度法計(jì)算

防火設(shè)計(jì)計(jì)算方法與PKPM和YJK類同，本文不再贅述。

3.4 軟件對(duì)同一構(gòu)件，兩種計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果相差較大

因?yàn)榕R界溫度法計(jì)算時(shí)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249-2017）中表7.2.1～7.2.5-2均未提供強(qiáng)度或穩(wěn)定荷載比R＜0.3和R＞0.9時(shí)的臨界溫度，則對(duì)于強(qiáng)度或穩(wěn)定載比R＜0.3和R＞0.9時(shí)的構(gòu)件，可能會(huì)出現(xiàn)兩種方法計(jì)算結(jié)果當(dāng)量相差較大的情況，此時(shí)應(yīng)采用承載力法進(jìn)行計(jì)算分析。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)案例分析及其防火保護(hù)措施選用

安徽阜陽市潁泉區(qū)棚戶區(qū)改造抱龍安置區(qū)二期12#～16#樓均為鋼結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)體系住宅，其中13#、15#樓是26層，耐火等級(jí)為一級(jí)；12#、14#、16#是18層，耐火等級(jí)為二級(jí)。各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)表1耐火等級(jí)要求選取相應(yīng)的耐火極限時(shí)間。本工程采用PKPM防火設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行防火驗(yàn)算，經(jīng)驗(yàn)算，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限經(jīng)驗(yàn)算低于設(shè)計(jì)耐火極限，需采取防火保護(hù)措施。鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計(jì)耐火極限或使用環(huán)境等因素綜合確定，可采用下列一種或幾種組合措施：

①噴涂（抹涂）防火涂料；②包覆防火板；③包覆柔性氈狀隔熱材料；④外包混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿或砌筑砌體。本工程選用噴涂非膨脹型防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)。耐火等級(jí)為一級(jí)時(shí)，鋼框架柱、鋼支撐的防火涂料厚度為15mm，鋼梁的防火涂料厚度為30mm，詳見表2所示。

第20層防火涂料計(jì)算結(jié)果 表2

本工程要求非膨脹型防火涂料等效熱傳導(dǎo)系數(shù)不大于0.08W/m·℃，粘結(jié)強(qiáng)度不低于0.1MPa，抗壓強(qiáng)度不低于1.5MPa，干密度不大于 620kg/m。根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的概念設(shè)計(jì)要求，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的防火保護(hù)應(yīng)與被連接構(gòu)件中防火保護(hù)要求最高者相同。

鋼結(jié)構(gòu)采用噴涂（抹涂）防火涂料保護(hù)時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：室內(nèi)隱蔽構(gòu)件宜選用非膨脹型防火涂料；設(shè)計(jì)耐火極限大于1.50h的構(gòu)件，不宜選用膨脹型防火涂料；室外、半室外鋼結(jié)構(gòu)采用膨脹型防火涂料時(shí)，應(yīng)選用符合環(huán)境對(duì)其性能要求的產(chǎn)品；非膨脹型防火涂料涂層的厚度不應(yīng)小于15mm；當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)表面噴涂防火涂料時(shí)，除銹后僅做底漆、中間漆，中間漆涂裝后噴涂防火涂料，防腐涂料應(yīng)與防火涂料相互兼容，并具有良好的附著力。采用噴涂非膨脹型防火涂料保護(hù)時(shí)，當(dāng)有下列情況之一時(shí)，宜在涂層內(nèi)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連接的鍍鋅鐵絲網(wǎng)或玻璃纖維布：①構(gòu)件承受沖擊、振動(dòng)荷載；②防火涂料的粘結(jié)強(qiáng)度不大于0.05MPa；③構(gòu)件的腹板高度大于500mm且涂層厚度不小于30mm；④構(gòu)件的腹板高度大于500mm且涂層長期暴露在室外。

4 結(jié)語

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)嚴(yán)格遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)方法、嚴(yán)格的防護(hù)措施，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑物的防火安全性滿足要求，為廣大人民群眾的生產(chǎn)、生活保駕護(hù)航。