建筑鋼結構防火設計關鍵技術與應用

摘要：鋼結構在現(xiàn)代建筑和工業(yè)領域中得到了廣泛應用，然而，其在火災中的脆弱性使得防火問題成為至關重要的研究課題?，F(xiàn)全面闡述鋼結構防火技術的性能特點、應用現(xiàn)狀，并展望其未來的發(fā)展趨勢，為鋼結構防火技術的進一步發(fā)展和應用提供參考。

關鍵詞：鋼結構；火災脆弱性；防火性能

中圖分類號：TU892 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）08-0113-03

鋼結構憑借其高強度、輕重量、施工進度快等顯著優(yōu)勢，在建筑工程、橋梁建設、工業(yè)廠房等領域獲得了廣泛的應用。然而，鋼材在高溫環(huán)境下的力學性能會急劇下降，這一特性使得鋼結構在火災發(fā)生時面臨極大的安全隱患。無保護的鋼結構構件僅需15min即可達到500℃左右的高溫，此時鋼材強度衰退至常溫下的零值，隨后其強度、剛度等力學性能隨溫度的持續(xù)升高而快速衰退，因此，為確保建筑鋼結構達到設計耐火極限，采取有效的防火保護措施極其重要。

1 鋼結構的火災特性

鋼結構的耐火性能相對較弱，因其熱傳導系數(shù)較高，導致火災中鋼構件升溫較快，鋼材強度隨溫度升高而迅速降低，進而影響鋼結構的整體承載能力。當發(fā)生火災時，在高溫作用下，鋼材的強度、塑性、硬度等力學性能均會發(fā)生顯著的變化。

1.1 強度變化

隨著溫度的升高，鋼材的強度呈現(xiàn)出逐步減弱的趨勢。在溫度較低時，即0～250℃之間，鋼材的強度基本保持穩(wěn)定，甚至在接近250℃時還會略有增強。然而，一旦溫度超過300℃，鋼材的強度便開始顯著下降。達到500℃時，其強度降至原來強度的1/2；到600℃時，強度更是銳減至原來的1/6至1/7之間。這種強度降低的主要原因是，高溫導致鋼材晶粒的長大和晶粒界面的移動，使得金屬整體強度減弱。同時，高溫還激發(fā)了鋼材內(nèi)部的擴散、恢復和再結晶等現(xiàn)象，進一步削弱了鋼材的強度。

1.2 塑性變化

當溫度升高時，鋼材的塑性會發(fā)生改變。在較低的溫度范圍內(nèi)，鋼材的塑性變化相對較小。然而，隨著溫度的持續(xù)上升，鋼材的塑性逐漸增強。如在250℃左右時鋼材會出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，此時塑性有所下降。一旦溫度持續(xù)升高，超過這一范圍后，塑性又會顯著上升。這是因為高溫使得鋼材內(nèi)部的原子活動能力增強，位錯移動更加容易，從而提高了鋼材的塑性變形能力。

1.3 硬度變化

溫度對鋼材硬度的影響較為復雜。一般來說，隨著溫度的升高，鋼材的硬度通常會逐漸降低。在低溫階段，硬度變化相對較小。當溫度超過一定值后，如300℃以上，硬度下降速度加快，主要是高溫促使鋼材內(nèi)部組織結構發(fā)生改變，如馬氏體分解、碳化物的轉變和聚集等，導致硬度降低。然而，對于含碳量較高的鋼材，在100℃左右回火時，硬度可能會略有升高，這是由于馬氏體中碳原子的偏聚及ε-碳化物析出引起的彌散硬化所致。

綜上，高溫下鋼材的物理和力學變化，使得鋼結構在火災中容易發(fā)生變形、失穩(wěn)，甚至坍塌。因此，為了避免建筑中鋼結構的火災危險，需對鋼結構進行科學的防火設計，并采取可靠、安全、成本合理的防火保護措施。

2 鋼結構防火技術分類

2.1 防火涂料

2.1.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料通常由無機絕熱材料組成，如蛭石、珍珠巖等，涂層厚度較大，一般在7～45mm之間。其防火原理主要是通過自身的低導熱性和多孔結構，阻隔熱量向鋼結構傳遞，從而延緩鋼結構的升溫速度。厚型防火涂料具有隔熱性能好、耐火極限高的優(yōu)點，通?？蛇_2.0～3.0h，甚至更長，且耐久性較好，能在一定年限內(nèi)保持穩(wěn)定的防火性能，對鋼結構的附著力強。然而，施工難度較大，需要多次涂抹，增加了施工周期，同時，涂層自重大，會增加鋼結構的負擔，影響外觀。常適用于對耐火極限要求較高的大型鋼結構建筑，如高層鋼結構建筑、甲乙類工業(yè)廠房等。

2.1.2 薄型防火涂料

薄型防火涂料以有機樹脂為基料，添加膨脹阻燃劑等成分，涂層厚度一般在3～7mm之間。其防火機理在于，一旦發(fā)生火災，涂層能夠迅速膨脹，形成緊密的隔熱炭層，阻斷熱量的傳遞。薄型防火涂料具有施工方便的優(yōu)點，僅需一次或兩次涂抹作業(yè)即可完成，且裝飾性較好，顏色選擇多樣，對鋼結構的重量增加較小。然而，薄型防火涂料也存在一定的局限性，其耐火極限相對較低，一般僅為1.5～2.0h之間，耐久性有待提高，易受環(huán)境因素影響。常用于中、小型鋼結構建筑，如多層鋼結構辦公樓、小型工業(yè)廠房等。

2.1.3 超薄型防火涂料

超薄型防火涂料涂層厚度小于3mm，具有優(yōu)異的理化性能和防火性能。該涂料采用高效的膨脹阻燃體系，確保在火災中迅速膨脹形成厚實的隔熱層。超薄型防火涂料具有施工簡便、干燥快的優(yōu)點，通常數(shù)小時即可干燥，且裝飾性好，涂層表面光滑平整，能夠保持鋼結構的美觀。值得注意的是，其耐火極限相對較短，一般在1.0～1.5h之間，因價格較高，在一定程度上增加了項目的建設成本。適用于對裝飾要求較高、耐火極限要求適中的鋼結構建筑，如商場、展覽館、美術館等。

2.2 防火板材

防火板材通常由硅酸鈣板、蛭石板等無機材料制成，通過將防火板材固定在鋼結構表面，形成隔熱保護層，阻止熱量向鋼結構內(nèi)部傳遞。以某工業(yè)廠房的鋼結構屋頂為例，采用防火板材進行保護后，即便周邊發(fā)生火災，也能顯著保護鋼結構的完整、安全。防火板材的優(yōu)點為耐火性能好、耐火極限高。然而，防火板材的安裝工藝復雜，需由專業(yè)人員施工，增加了建筑成本，且可能增加鋼結構的自重。一般適用于對防火性能及外觀要求較高的鋼結構建筑，如機場航站樓、體育館等。

目前，防火板材領域正持續(xù)進行技術創(chuàng)新與研發(fā)，不斷探索新型無機材料及復合材料的應用，旨在進一步提高防火板材的抗壓強度、抗折強度、隔熱性能等關鍵指標。同時，也有各種研究，以提高防火板材的安裝技術，改進優(yōu)化防火板材的安裝工藝，提高安裝效率和質量，降低安裝成本。

2.3 水冷卻系統(tǒng)

水冷卻系統(tǒng)通過在鋼結構內(nèi)部設置循環(huán)水管，利用水的高比熱容吸收熱量，降低鋼結構的溫度。水冷卻系統(tǒng)的防火效果顯著，能夠迅速降低鋼結構的溫度，也可根據(jù)火場情況靈活調(diào)節(jié)冷卻效果，但該系統(tǒng)結構復雜，安裝和維護成本較高，為確保系統(tǒng)的有效運行，對建筑的給排水系統(tǒng)設計提出了較高要求[1]。一般用于對防火要求極高的特殊鋼結構建筑，如核電站、大型石化工廠等。

3 鋼結構防火技術的應用

以某高頻高速碳氫樹脂產(chǎn)業(yè)化項目生產(chǎn)車間為例，火災危險性類別為甲類，采用門鋼結構結合鍍鋁鋅金屬壓型屋面板與鍍鋁鋅金屬壓型鋼墻板設計方案，耐火等級一級，防火墻不燃性要求≥4.0h，柱不燃性要求≥3.0h，梁不燃性要求≥2.0h，一級耐火要求的甲類車間危險性高，防火防爆的要求高于一般項目，經(jīng)過對項目的研判，采用鋼柱和鋼梁先刷2.5h防火涂料再側包3.0h防火板的技術方案，防火墻則采用雙層鋼板防爆墻，以達到防火防爆要求。以GB51249—2017《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》臨界溫度法為依據(jù)，在設計耐火極限時間內(nèi)，火災下鋼結構構件的最高溫度不應高于其臨界溫度?；谝陨显恚褂肞KPM鋼結構設計軟件進行防火涂料涂層厚度計算。

該案例防火涂料類型為非膨脹型，熱傳導系數(shù)為0.10W/（m·℃），密度為680.0kg/m3，比熱容為100J/（kg·℃）。經(jīng)計算后，部分鋼柱涂層厚度為35.45mm，等效熱阻0.3545m2·℃/W，部分鋼梁涂層厚度18.21mm，等效熱阻0.1821m2·℃/W。

同時，該案例還采用了以硅酸鹽板為基材的防火板，經(jīng)國家防火建筑材料質量檢驗檢測中心（NFTC）檢測，該基材在93mm時耐火性能達到180min。該防火板在實驗過程中的耐火性能測試見表1

此案例采用多種防火技術，將防火涂料與防火板材相結合，在鋼柱中采用35.45mm厚防火涂料再包覆93mm厚硅酸鹽防火板，既滿足了耐火時間要求，又達到業(yè)主要求建筑美觀的意見，充分發(fā)揮了不同材料的優(yōu)勢[2]。

4 鋼結構防火技術的發(fā)展趨勢

4.1 新型防火材料的研發(fā)

基于各行業(yè)對防火材料的高需求，材料生產(chǎn)廠家不斷致力于各類新型防火材料研發(fā)中。高性能納米防火材料為鋼結構防火材料的創(chuàng)新開辟了新的途徑。納米級防火添加劑可以均勻分散于涂料或板材中，可顯著提升其防火性能。例如，納米氫氧化鎂、納米二氧化硅等材料，因其優(yōu)異的阻燃和隔熱性能而備受矚目。智能相變材料能夠根據(jù)溫度的變化自動發(fā)生相變，在火災發(fā)生時迅速吸收大量熱量，從而有效保護鋼結構等設施。相變材料包括石蠟、脂肪酸等有機物，有望在未來得到更廣泛的應用。陶瓷基復合材料，其在超過1500℃的高溫下，仍能保持良好的機械性能和防火效果，這類材料在航空航天領域的發(fā)動機部件防火、核電站的關鍵設施防護等方面發(fā)揮著重要作用。隨著技術的不斷進步，高耐火性能的材料將在更多普通建筑和工業(yè)設施中得到應用。

4.2 智能化火災監(jiān)測與預警系統(tǒng)

基于計算機技術的不斷發(fā)展，各類智能化防火系統(tǒng)也在不斷研發(fā)與更新，部分計算機火災監(jiān)測與預警系統(tǒng)已能達到以下要求：

4.2.1 實時溫度監(jiān)測

利用先進的傳感器技術，如光纖傳感器、紅外傳感器等，對鋼結構的溫度進行實時監(jiān)測。這些傳感器可以安裝在鋼結構的關鍵部位，可將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

4.2.2 火災預警與自動滅火

結合人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術，構建一套火災預警模型，一旦監(jiān)測到異常溫度升高或其他火災跡象，立即進行分析，并發(fā)出預警信號，自動觸發(fā)相應的應急響應機制，包括但不限于啟動細水霧滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)等自動滅火裝置，將火災消滅在萌芽狀態(tài)。

4.3 優(yōu)化防火設計

在防火設計中，積極采用協(xié)同設計理念，將防火需要與結構設計、建筑設計緊密結合，綜合考慮建筑的整體布局、結構形式、材料選擇等多方面因素，提升鋼結構的耐火性能。例如，合理規(guī)劃防火分區(qū)，確?；馂臅r能夠有效控制火勢蔓延；設計清晰、便捷的疏散通道，保障人員安全撤離。

4.4 多學科融合研究與發(fā)展

4.4.1 材料科學與消防工程的融合

通過促進材料科學家和消防工程師的緊密合作，深入探索防火材料的微觀結構與其防火性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為創(chuàng)新設計并開發(fā)出具有更高耐火極限、更優(yōu)隔熱性能的新型防火材料提供理論基礎。

4.4.2 信息技術與防火技術的結合

借助物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算等信息技術，實現(xiàn)鋼結構防火系統(tǒng)的全面智能化升級，通過構建智能監(jiān)測網(wǎng)絡，實時采集并分析防火系統(tǒng)的運行狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、故障預警及自動維護等功能，提高防火系統(tǒng)的響應速度及可靠性。

5 結束語

鋼結構防火技術的研究對于確保鋼結構建筑的安全具有至關重要的意義。目前，各類鋼結構防火技術正處于不斷發(fā)展和完善中，未來，應進一步加強對防火材料性能的探索，力求在提升其耐久性、環(huán)保性和適用性的同時，降低其成本，增強其實用價值。通過持續(xù)研究與創(chuàng)新，有望為鋼結構建筑提供更加堅實、智能、高效的防火保障，為其在各類建筑領域中的廣泛應用奠定堅實基礎。

參考文獻

[1]張佳利.建筑鋼結構防火技術規(guī)范理解與軟件應用[J].建筑結構，2022，52（S1）：1278-1281.

[2]宋謙益.建筑鋼結構防火設計規(guī)范及要點[J].建筑結構，2020，50（24）：1-10.