建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)分析與研究

談建國，談路遙，金爍

（1 東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056；2 中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430056)

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑因其自重輕，抗震性能好，裝配化程度高，施工進(jìn)度快等特點(diǎn)，近年來得到廣泛應(yīng)用。鋼材屬于不燃燒材料，但在火災(zāi)條件下，通常鋼材的臨界溫度僅為550 ℃，不加防護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限為15 min 左右，火災(zāi)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)將會發(fā)生大的變形，從而失去承載能力。因此，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)尤為重要。本文根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018版）、GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》有關(guān)要求，將鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)處理，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生變形而倒塌。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火的要求

理論上說，沒有燒不垮的建筑，只是堅(jiān)持的時(shí)間長短而已。建筑鋼結(jié)構(gòu)防火就是保證火災(zāi)時(shí)建筑鋼結(jié)構(gòu)在一定時(shí)間內(nèi)不破壞，因此，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火應(yīng)根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版）對建筑類別及其火災(zāi)危險(xiǎn)性合理定性，確定建筑物的耐火等級及其建筑構(gòu)件的耐火極限和燃燒性能等，建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限決定了整體建筑的耐火等級。GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）附錄中注9：無防火保護(hù)層的鋼梁、鋼柱、鋼樓板和鋼屋架，其耐火極限只有0.25 h[1]。可見鋼材的耐火性能極差，鋼結(jié)構(gòu)非常怕火，火災(zāi)下鋼材強(qiáng)度，剛度快速衰減。無保護(hù)狀態(tài)下15 min 幾乎喪失承載能力，所以建筑鋼結(jié)構(gòu)需進(jìn)行防火設(shè)計(jì)，目前建筑鋼結(jié)構(gòu)最常用防火措施就是在鋼結(jié)構(gòu)表面敷設(shè)防火涂料。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法

GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中3.2.3 條，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。基于整件結(jié)構(gòu)的方法定性容易、定量難，適用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)等大型公建。其他結(jié)構(gòu)可以采用基于構(gòu)件耐火驗(yàn)算的設(shè)計(jì)方法。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火驗(yàn)算和防火設(shè)計(jì)可采用耐火極限性、承載力法或臨界溫度法，其本質(zhì)都是：

式中，Rd為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值；Sm為荷載（作用）效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值。

1）耐火極限法是構(gòu)件的模擬實(shí)驗(yàn)法，即在荷載作用下直接“燒”出構(gòu)件的實(shí)際耐火極限。此方法是GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版）采用的主要方法，也是目前建筑施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的方法。但GB 50016—2014《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》（2018 年版）附錄中的數(shù)值未考慮構(gòu)件的大小和截面形狀，實(shí)際荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的約束關(guān)系，廣泛用于具體工程設(shè)計(jì)中欠妥。特別是對于火災(zāi)敏感的鋼結(jié)構(gòu)工程，不宜直接應(yīng)用表中數(shù)值。

2）承載力法或臨界溫度法都是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來的理論計(jì)算方法[2]。承載力法以承載力為指標(biāo)，要求構(gòu)件在耐火時(shí)間內(nèi)滿足耐火承載力極限狀態(tài)的要求。而臨界溫度法則是以溫度計(jì)算為核心，火災(zāi)下鋼構(gòu)件最高溫度不得超過其臨界溫度。按GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中7.1、7.2 條的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，也可采用相關(guān)的計(jì)算軟件計(jì)算。PKPM 采用臨界溫度法進(jìn)行構(gòu)件耐火驗(yàn)算，原理上不能實(shí)現(xiàn)有多余約束的軸力桿體系耐火計(jì)算。在計(jì)算有多余約束的軸力桿件時(shí)，因?yàn)檩S力桿件剛度變化引起內(nèi)力重分布，必須結(jié)合承載力法才能得到構(gòu)件的升溫剛度，這種情況下采用臨界溫度法是欠妥的。YJK（北京盈建科）采用承載力法進(jìn)行構(gòu)件耐火驗(yàn)算，3D3S（同濟(jì)大學(xué)）同時(shí)采用承載力法和臨界溫度法進(jìn)行構(gòu)件耐火驗(yàn)算，符合GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中3.2.5 條規(guī)定，采用臨界溫度法進(jìn)行構(gòu)件耐火驗(yàn)算時(shí)，需要定義防火涂料類型。

3）依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第18.1.3 條及GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中3.14、強(qiáng)條第3.2.1 條的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)當(dāng)采用非膨脹性防火涂料作防火保護(hù)時(shí)，應(yīng)給出防火保護(hù)的設(shè)計(jì)厚度和防火保護(hù)材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)的設(shè)計(jì)值。當(dāng)采用膨脹型防火涂料時(shí)，應(yīng)給出防火保護(hù)層的等效熱阻值，業(yè)主單位可依據(jù)消防產(chǎn)品廠商提供的防火保護(hù)層的等效熱阻值-厚度對應(yīng)表，根據(jù)等效熱阻值確定防火保護(hù)層的厚度。

4 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

依據(jù)GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般分為膨脹型和非膨脹型2 種。膨脹型又稱為薄型防火涂料（厚度小于或等于3 mm 為超薄型，小于或等于7 mm 為薄型），該類防火涂料由有機(jī)樹脂為基料，再配以發(fā)泡劑、阻燃劑、成碳劑等，遇火后自身發(fā)泡膨脹，形成多孔碳化層可阻擋外部熱源對基材的傳熱，起到絕熱屏障的作用。但隨著時(shí)間延長，部分有機(jī)物發(fā)生分解、降解，“老化”失效，涂層出現(xiàn)粉化、脫落，其耐久性較差，對耐火性能要求較高的建筑和構(gòu)件不宜選用。膨脹型防火涂料耐火極限可達(dá)0.5～2.0 h。非膨脹型又稱為厚型防火涂料（厚度一般為7～50 mm），該類防火涂料由多孔輕質(zhì)無機(jī)絕熱材料為基料，再配以無機(jī)黏結(jié)劑等，涂層的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，遇火不膨脹，其防火機(jī)理利用涂層良好的絕熱性以及高溫下部分成分的蒸發(fā)分解等燒蝕反應(yīng)而產(chǎn)生的吸熱作用，來阻隔和消耗火災(zāi)熱量向基材的傳遞，延緩鋼構(gòu)件升溫。非膨脹型防火涂料耐火極限可達(dá)0.5～3.0 h。

膨脹型和非膨脹型2 種防火涂料性能對比見圖1。

圖1 2 類涂料性能對比

一般室內(nèi)用溶劑性膨脹型普通鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，室外用水基性非膨用型特種鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或者環(huán)氧類膨脹型防火涂料[3]。某些特殊構(gòu)件如柔性支撐、拉索等截面較小，用非膨脹型防火涂料附著厚度不可能達(dá)到該類防火涂料要求；用膨脹型防火涂料附著厚度薄，膨脹效果差，防火效果不好；故宜采用柔性氈狀隔熱材料。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料與防銹漆兼容是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的技術(shù)難題。在實(shí)際工程中，為了節(jié)約成本，大量鋼結(jié)構(gòu)公司選用調(diào)和漆作為防銹漆。調(diào)和漆漆膜附著力差，容易空鼓、脫落，因此建議采用環(huán)氧類涂料作為防銹漆。

5 規(guī)范中幾個術(shù)語的理解

1）截面形狀系數(shù)：有防火保護(hù)鋼構(gòu)件的截面形狀系數(shù)Fi/V 不僅與鋼構(gòu)件的截面特性有關(guān)，還與防火保護(hù)層的做法有關(guān)。該系數(shù)在進(jìn)行鋼構(gòu)件防火計(jì)算中都會遇到。GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中6.2.2 條的定義是“構(gòu)件的防火保護(hù)材料內(nèi)表面與單位長度鋼構(gòu)件的體積之比”，與建筑節(jié)能計(jì)算中建筑體型系數(shù)計(jì)算是一致的。鋼構(gòu)件（如輕薄截面）的形狀系數(shù)越大，耐火時(shí)間越短。反之，鋼構(gòu)件（如厚實(shí)截面）的形狀系數(shù)越小，耐火時(shí)間越長。

2）荷載比：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。是衡量火災(zāi)下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承載力水平的重要指標(biāo)，是臨界溫度法進(jìn)行構(gòu)件耐火驗(yàn)算的必要參數(shù)。荷載比越大，耐火時(shí)間越長。反之，荷載比越小，耐火時(shí)間越短。

3）熱傳導(dǎo)系數(shù)：非膨脹型（厚型）防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)λi可按GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中式（5.3.1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，λi為等效熱傳導(dǎo)系數(shù)，[W/（m·℃）]；di為防火保護(hù)層的厚度；Fi/V 為有防火保護(hù)鋼試件的截面形狀系數(shù)，m-1，應(yīng)按GB 51249—2017 第6.2.2 條計(jì)算；TS0為開始時(shí)鋼試件的溫度，可取20 ℃；TS為鋼試件的平均溫度，℃，取540 ℃；t0為鋼試件的平均溫度達(dá)到540 ℃的時(shí)間，s。

該系數(shù)可綜合反映防火涂料在火災(zāi)下傳熱、隔熱的實(shí)際性能。一般情況下，非膨脹型（厚型）防火涂料約為0.1 W/（m·℃）。λi代表不同材料表面之間的熱傳導(dǎo)量，λi值越小，防火隔熱效果越好。

4）等效熱阻：膨脹型（薄型）防火涂料保護(hù)層的等效熱阻Ri可按GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中式（5.3.2）進(jìn)行計(jì)算，也可按（6.2.2）條文說明進(jìn)行取值，取值范圍在0.01～0.5。

式中，Ri為防火保護(hù)層的等效熱阻（對應(yīng)于該防火保護(hù)層厚度），m2·℃/W。

該系數(shù)可綜合反應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹厚度的變化。不僅反映了防火涂料導(dǎo)熱系數(shù)的變化對防火涂料性能的影響，還考慮了涂層膨脹厚度對其性能的影響，這一點(diǎn)對膨脹型（薄型）防火涂料來說尤其重要。Ri代表防火隔熱材料阻止熱量穿過的能力，Ri值越大，防火隔熱效果越好。

6 規(guī)范中幾個條款的把握

1）GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》第4.1.3條4 款要求非膨脹型防火涂料層厚度不小于10 mm，而GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》第5.1.5 條要求膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度應(yīng)不小于1.5 mm，非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度應(yīng)不小于15 mm，工程設(shè)計(jì)時(shí)宜按GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》規(guī)定執(zhí)行。

2）GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中4.1.3條2 款：設(shè)計(jì)耐火極限大于1.5 h 的構(gòu)件，不宜選用膨脹型防火涂料，而GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》中5.2.3 條表4中膨脹型防火涂料的耐火極限值可到2.0 h，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》執(zhí)行。

3）GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版）中表3.2.1 屋頂承重構(gòu)件（如屋面檁條）有耐火極限（1.0 h）的要求，屋面檁條都需刷防火涂料。而GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中3.1.1 條文說明只有兼作縱向支桿，對主結(jié)構(gòu)（如屋架、屋面梁）起到側(cè)向支撐作用的檁條和隅撐才需要考慮刷防火涂料，其余檁條可不刷防火涂料，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

4）防火墻是防止火災(zāi)蔓延至相鄰建筑或相鄰水平防火分區(qū)且耐火極限不能低于3.00 h 的不燃性墻體。而建筑鋼結(jié)構(gòu)體系中鋼梁的最大耐火極限是2.0 h，鋼柱的最大耐火極限是3.0 h，支撐防火墻的鋼梁和鋼柱的耐火極限可能低于防火墻的耐火極限，這種構(gòu)件重疊時(shí)應(yīng)采用較高要求確定耐火極限，應(yīng)滿足GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018 年版）中6.1.1 條、6.1.7 條框架梁等承重結(jié)構(gòu)的耐火極限應(yīng)不低于防火墻的耐火極限的規(guī)定。

5）壓型鋼板組合樓板是建筑鋼結(jié)構(gòu)中常用的樓板形式。根據(jù)GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中8.2.1 條文說明，壓型鋼板組合樓板中的壓型鋼板僅作為施工模板使用時(shí)，不需要進(jìn)行防火保護(hù)。

7 結(jié)語

建筑鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，是因?yàn)殇摬臒醾鲗?dǎo)系數(shù)很大，火災(zāi)下鋼構(gòu)件升溫快；鋼材強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低，使鋼結(jié)構(gòu)不能承受外部荷載而失效破壞。因此，為了防止和減小建筑鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危害，必須對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的抗火設(shè)計(jì)，采取安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防火保護(hù)措施。

目前，建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)有試驗(yàn)法和計(jì)算法2 種，試驗(yàn)法無法精確反映溫度與應(yīng)力的關(guān)系，局限性較多，所得的結(jié)果離散性較強(qiáng)。計(jì)算法基于鋼材的性能與火災(zāi)升溫曲線關(guān)系，可精確計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的極限承載能力，所得結(jié)果更符合實(shí)際情況。

鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)中，通常是設(shè)計(jì)單位提出各類構(gòu)件的耐火極限要求，構(gòu)件防火保護(hù)措施的形式，防火涂料的類型、性能要求和試驗(yàn)檢測要求；由于防護(hù)涂料產(chǎn)品往往沒有確定，對防火涂料厚度難以提出具體要求。因此，對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)要求時(shí)，應(yīng)提供等效熱阻值，不能只提供耐火時(shí)間。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)盡量選擇截面形狀系數(shù)較小的截面，其耐火性能更好，軸向拉壓構(gòu)件溫度應(yīng)力與構(gòu)件設(shè)計(jì)承載力之比較大，宜選用高強(qiáng)度鋼材。

鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱保護(hù)措施在相應(yīng)的工作環(huán)境下應(yīng)具有耐久性，并與鋼結(jié)構(gòu)的防腐、防銹保護(hù)措施相兼容。