淺談對鋼結構住宅抗火設計的研究

楊道直

華北水利水電大學（450000）

淺談對鋼結構住宅抗火設計的研究

楊道直

華北水利水電大學（450000）

近年來，對鋼結構抗火的研究一直是建筑安全領域的研究重點，而鋼結構住宅又是未來將普遍采用的一種住宅結構形式。文章簡要介紹鋼結構住宅的發展情況，以及鋼結構抗火的一些設計計算方法及解決辦法。

鋼結構住宅；抗火性能；設計方法

與混凝土結構相比，鋼結構建筑具有強度高、質量輕、抗震性能好、施工速度快等優點，但是鋼結構有一個不容忽視的缺陷，即抗火性能差。經驗表明，當鋼結構建筑未進行抗火設計且無任何保護措施時，一旦發生火災，整個結構在極短時間內就會瞬時全部崩潰，因此，為防止鋼結構在火災情況下短時間內剛度迅速下降導致結構局部破壞或整體坍塌，從實際工程的角度出發必須對鋼結構進行抗火設計，采取合理的保護措施，保證其建筑耐火極限的要求。而住宅作為一種最廣泛的建筑形式，鋼結構住宅作為一種重要的住宅結構形式，很可能在以后會有飛速發展，因此，研究鋼結構住宅的抗火就成了今后研究的重要趨勢。

1 鋼結構的發展

在國外，尤其是發達國家，鋼結構建筑已得到廣泛應用,如美國的鋼結構建筑已占建筑總量的68%以上,日本為50%以上,歐洲國家一般都在20%～30%,韓國也達到了20%，1997年以來，我國的年鋼產量連年超過一億噸，居于世界首位。也正因如此，在中國發展鋼結構建筑具有天然的優勢。為此，國家有關部委制定了在建筑工程中推廣使用鋼結構的一系列政策措施。

2 鋼結構住宅的特點

與一般結構相比，鋼結構住宅主要的優點有：強度高，自重小，抗震性能好，施工不受季節影響，縮短工期，由于剛才的強度高，可增大住宅的使用面積，建材可重復利用，能有效減少建筑垃圾和環境污染。而其也存在一些缺點，比如抗腐蝕和耐火性差，造價相對較高。

3 高溫對鋼材力學性能的影響

鋼材雖為非燃性材料，耐熱性能高于鋼筋混凝土材料，但其耐火性能較差。無防護措施的鋼結構耐火極限只有15 min左右。高溫情況下，鋼材的屈服強度、極限強度和彈性模量均隨溫度的升高而降低，而且屈服臺階越來越小。當溫度在150℃以上時，就必須采取保護措施。在300～400℃時，鋼材已無明顯的屈服臺階，強度開始迅速下，且內部晶體結合方式發生變化導致塑性和韌性下降，出現明顯的藍脆現象。溫度達到400℃時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半。當溫度達到600℃時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。但是一般火災現場的溫度都會達到800～1 000℃，在這樣的高溫下裸露的鋼結構構件強度會迅速降低，很快出現塑性變形，產生局部破壞，最終造成鋼結構建筑物整體坍塌。

4 鋼結構抗火設計方法及計算基本步驟

4.1 鋼結構抗火設計方法

鋼結構抗火設計的要求用一個不等式可表示為：結構抗火能力≥結構抗火要求。根據實現該要求的手段，結構抗火設計方法可分為如下幾種。

1）基于試驗的結構抗火設計方法

該方法為傳統的結構抗火設計方法，以試驗為依據，通過對標準構件或實際構件在規定荷載分布與標準升溫條件下的試驗，確定采取不同的防火措施。進行抗火設計時，根據構件耐火極限的要求來確定防火措施。該方法簡單、直觀、應用方便，但試驗很難準確模擬構件荷載分布和大小、端部約束情況，以及構件在火災情況下的溫度應力難以正確反映。

2）基于計算的結構抗火設計方法

20世紀70年代之后，結構抗火設計方法轉為基于構件計算的現代方法。基于計算的結構抗火設計方法考慮了傳統基于試驗的結構抗火設計方法的不足，利用結構分析理論和熱傳導理論考慮構件的荷載分布和大小、端部約束情況以及溫度內力的影響，通過計算確定構件的耐火極限。該方法可以以構件為對象也可以以結構整體為對象進行計算。目前規范主要以前者為對象進行抗火設計。基于計算的結構整體極限承載能力的抗火計算方法以防止整體結構倒塌為目的，認為結構的局部破壞引起結構內力重新分配，尚不影響結構整體承載能力。

3）性能化抗火設計方法

該方法從兩個方面考慮來確定結構的抗火需求。首先，依據結構構件所處部位、人員安全和火災經濟損失最小為原則來確定結構的抗火需求。其次，考慮實際火災和空氣升溫的隨機性以及結構整體性能對結構抗火能力的影響。該方法以結構抗火需求為目標，最大程度地模擬結構的實際抗火能力，且涉及物理學、空氣動力學等其他相關學科的研究,是一種較為先進的設計方法，但仍處于初始研究階段。

4.2 鋼結構構件抗火實用計算方法基本步驟

鋼結構抗火設計以鋼構件在耐火極限范圍內滿足承載力為基礎來確定構件的防火覆蓋層厚度。目前國內大多采用構件抗火計算方法進行鋼結構抗火設計，該方法也被《建筑鋼結構防火技術規范》CECS 2002006所采納。鋼結構構件抗火實用計算方法基本步驟可歸納為：

1）確定最不利火災位置及計算構件。最不利火災位置一般為使結構主要構件產生較高溫度的位置并根據構件類型選擇最不利構件。

2）根據構件類型和防火材料類型確定防火被覆厚度。

3）采用火災下鋼構件升溫實用計算方法確定耐火極限條件下構件的內部溫度。

4）確定高溫情況下鋼材特性參數，計算構件在外荷和溫度作用下的內力。

5）采用下列最不利線性組合確定高溫情況下構件荷載效應。

6）根據構件邊界條件進行耐火承載力極限狀態驗算，當驗算不符合要求時，調整被覆層厚度，重復步驟2）、6）。

5 鋼結構住宅抗火的措施

5.1 提高鋼結構住宅抗火性能的主要方法

1）單面屏蔽法

在鋼構件的迎火面設置阻火屏障，將構件與火焰隔開。這種在特殊部位設置防火屏障的措施是一種相對較經濟的鋼構件防火方法。主要用在鑄造車間等有高熱源建筑的特殊部位。

2）涂抹防火材料

將防火涂料涂在鋼材表面。這種方法簡便，重量輕，不受構件形狀限制。

3）采用耐火輕質板材作為防火外包層

采用纖維增強水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸鈣板將鋼構件包裹起來。用于鋼柱防火時占用空間很少。

4）澆筑混凝土或砌筑耐火磚

采用混凝土或耐火磚完全封閉鋼構件。這種方法優點是強度高，耐沖擊，但是占用空間大，施工較為復雜，特別是在鋼梁、斜撐上。

5.2 防火涂料的選用

選用鋼結構防火涂料時，應考慮結構類型、耐火極限要求、工作環境等，選用原則如下：

1）裸露網架鋼結構、輕鋼屋架，以及其他構件截面小、振動撓曲變化大的鋼結構，當要求耐火極限在1.5 h以下時，宜選用薄涂型鋼結構防火涂料，裝飾要求較高的建筑宜選擇超薄型鋼結構防火涂料。

2）室內隱蔽鋼結構、高層等永久性建筑當要求耐火極限在1.5 h以上時，應選用厚涂型鋼結構防火涂料。

3）露天鋼結構，必須選用適合室外使用的鋼結構防火涂料。

6 結語

鋼結構住宅是今后住宅發展的趨勢，也是未來住宅的重要形式，開發鋼結構住宅必將有廣闊的建筑市場，而研究鋼結構的抗火性能必將是其中重要的一步，也將對鋼結構住宅的發展起著至關重要的作用。

[1]李國強.鋼結構抗火設計方法的發展[J].鋼結構,2013,15 (49)：47-49.

[2]王小蓉.鋼結構抗火分析與計算[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士學位論文,2007.

[3]李國強,蔣首超.鋼結構抗火計算與設計[M].北京：中國建筑工業出版社,1999.

[4]李秋起,徐敏.鋼結構防火涂料存在的一些問題及改進措施[J].現代涂料與涂裝,2008,11(6)：11-15.