建筑鋼結構防火設計分析與研究

談建國，談路遙，金爍

（1 東風設計研究院有限公司，武漢 430056；2 中冶南方工程技術有限公司，武漢 430056)

1 引言

鋼結構建筑因其自重輕，抗震性能好，裝配化程度高，施工進度快等特點，近年來得到廣泛應用。鋼材屬于不燃燒材料，但在火災條件下，通常鋼材的臨界溫度僅為550 ℃，不加防護的鋼結構耐火極限為15 min 左右，火災時鋼結構將會發生大的變形，從而失去承載能力。因此，鋼結構防火設計尤為重要。本文根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018版）、GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》有關要求，將鋼結構進行防火設計處理，防止鋼結構在火災中迅速升溫發生變形而倒塌。

2 建筑鋼結構防火的要求

理論上說，沒有燒不垮的建筑，只是堅持的時間長短而已。建筑鋼結構防火就是保證火災時建筑鋼結構在一定時間內不破壞，因此，建筑鋼結構防火應根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018 年版）對建筑類別及其火災危險性合理定性，確定建筑物的耐火等級及其建筑構件的耐火極限和燃燒性能等，建筑構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《建筑設計防火規范》（2018年版）附錄中注9：無防火保護層的鋼梁、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，鋼結構非常怕火，火災下鋼材強度，剛度快速衰減。無保護狀態下15 min 幾乎喪失承載能力，所以建筑鋼結構需進行防火設計，目前建筑鋼結構最常用防火措施就是在鋼結構表面敷設防火涂料。

3 建筑鋼結構防火設計方法

GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中3.2.3 條，鋼結構的防火設計應根據結構的重要性、結構類型和荷載特征等選用基于整體結構耐火驗算或基于構件耐火驗算的防火設計方法。基于整件結構的方法定性容易、定量難，適用于大跨度鋼結構等大型公建。其他結構可以采用基于構件耐火驗算的設計方法。鋼結構構件的耐火驗算和防火設計可采用耐火極限性、承載力法或臨界溫度法，其本質都是：

式中，Rd為結構構件抗力的設計值；Sm為荷載（作用）效應組合的設計值。

1）耐火極限法是構件的模擬實驗法，即在荷載作用下直接“燒”出構件的實際耐火極限。此方法是GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018 年版）采用的主要方法，也是目前建筑施工圖設計中應用最廣泛的方法。但GB 50016—2014《建筑防火設計規范》（2018 年版）附錄中的數值未考慮構件的大小和截面形狀，實際荷載和結構構件間的約束關系，廣泛用于具體工程設計中欠妥。特別是對于火災敏感的鋼結構工程，不宜直接應用表中數值。

2）承載力法或臨界溫度法都是在實驗基礎上總結出來的理論計算方法[2]。承載力法以承載力為指標，要求構件在耐火時間內滿足耐火承載力極限狀態的要求。而臨界溫度法則是以溫度計算為核心，火災下鋼構件最高溫度不得超過其臨界溫度。按GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中7.1、7.2 條的規定進行設計計算，也可采用相關的計算軟件計算。PKPM 采用臨界溫度法進行構件耐火驗算，原理上不能實現有多余約束的軸力桿體系耐火計算。在計算有多余約束的軸力桿件時，因為軸力桿件剛度變化引起內力重分布，必須結合承載力法才能得到構件的升溫剛度，這種情況下采用臨界溫度法是欠妥的。YJK（北京盈建科）采用承載力法進行構件耐火驗算，3D3S（同濟大學）同時采用承載力法和臨界溫度法進行構件耐火驗算，符合GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中3.2.5 條規定，采用臨界溫度法進行構件耐火驗算時，需要定義防火涂料類型。

3）依據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》第18.1.3 條及GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中3.14、強條第3.2.1 條的規定，鋼結構的防火設計當采用非膨脹性防火涂料作防火保護時，應給出防火保護的設計厚度和防火保護材料的等效熱傳導系數的設計值。當采用膨脹型防火涂料時，應給出防火保護層的等效熱阻值，業主單位可依據消防產品廠商提供的防火保護層的等效熱阻值-厚度對應表，根據等效熱阻值確定防火保護層的厚度。

4 建筑鋼結構防火涂料

依據GB 14907—2018《鋼結構防火涂料》，鋼結構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樹脂為基料，再配以發泡劑、阻燃劑、成碳劑等，遇火后自身發泡膨脹，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。但隨著時間延長，部分有機物發生分解、降解，“老化”失效，涂層出現粉化、脫落，其耐久性較差，對耐火性能要求較高的建筑和構件不宜選用。膨脹型防火涂料耐火極限可達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無機絕熱材料為基料，再配以無機黏結劑等，涂層的物理化學性能穩定，遇火不膨脹，其防火機理利用涂層良好的絕熱性以及高溫下部分成分的蒸發分解等燒蝕反應而產生的吸熱作用，來阻隔和消耗火災熱量向基材的傳遞，延緩鋼構件升溫。非膨脹型防火涂料耐火極限可達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

一般室內用溶劑性膨脹型普通鋼結構防火涂料，室外用水基性非膨用型特種鋼結構防火涂料或者環氧類膨脹型防火涂料[3]。某些特殊構件如柔性支撐、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。

鋼結構防火涂料與防銹漆兼容是鋼結構防火保護的技術難題。在實際工程中，為了節約成本，大量鋼結構公司選用調和漆作為防銹漆。調和漆漆膜附著力差，容易空鼓、脫落，因此建議采用環氧類涂料作為防銹漆。

5 規范中幾個術語的理解

1）截面形狀系數：有防火保護鋼構件的截面形狀系數Fi/V 不僅與鋼構件的截面特性有關，還與防火保護層的做法有關。該系數在進行鋼構件防火計算中都會遇到。GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中6.2.2 條的定義是“構件的防火保護材料內表面與單位長度鋼構件的體積之比”，與建筑節能計算中建筑體型系數計算是一致的。鋼構件（如輕薄截面）的形狀系數越大，耐火時間越短。反之，鋼構件（如厚實截面）的形狀系數越小，耐火時間越長。

2）荷載比：火災下結構或構件的荷載效應設計值與其常溫下的承載力設計值的比值。是衡量火災下結構或構件承載力水平的重要指標，是臨界溫度法進行構件耐火驗算的必要參數。荷載比越大，耐火時間越長。反之，荷載比越小，耐火時間越短。

3）熱傳導系數：非膨脹型（厚型）防火涂料的等效熱傳導系數λi可按GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中式（5.3.1）進行計算：

式中，λi為等效熱傳導系數，[W/（m·℃）]；di為防火保護層的厚度；Fi/V 為有防火保護鋼試件的截面形狀系數，m-1，應按GB 51249—2017 第6.2.2 條計算；TS0為開始時鋼試件的溫度，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到540 ℃的時間，s。

該系數可綜合反映防火涂料在火災下傳熱、隔熱的實際性能。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）防火涂料保護層的等效熱阻Ri可按GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中式（5.3.2）進行計算，也可按（6.2.2）條文說明進行取值，取值范圍在0.01～0.5。

式中，Ri為防火保護層的等效熱阻（對應于該防火保護層厚度），m2·℃/W。

該系數可綜合反應鋼結構防火涂料的導熱系數和膨脹厚度的變化。不僅反映了防火涂料導熱系數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 規范中幾個條款的把握

1）GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》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《鋼結構防火涂料》第5.1.5 條要求膨脹型鋼結構防火涂料的涂層厚度應不小于1.5 mm，非膨脹型鋼結構防火涂料的涂層厚度應不小于15 mm，工程設計時宜按GB 14907—2018《鋼結構防火涂料》規定執行。

2）GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》中4.1.3條2 款：設計耐火極限大于1.5 h 的構件，不宜選用膨脹型防火涂料，而GB 14907—2018《鋼結構防火涂料》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，設計時應按GB 14907—2018《鋼結構防火涂料》執行。

3）GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018 年版）中表3.2.1 屋頂承重構件（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《建筑鋼結構防火技術規范》中3.1.1 條文說明只有兼作縱向支桿，對主結構（如屋架、屋面梁）起到側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，設計時應按GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》執行。

4）防火墻是防止火災蔓延至相鄰建筑或相鄰水平防火分區且耐火極限不能低于3.00 h 的不燃性墻體。而建筑鋼結構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，這種構件重疊時應采用較高要求確定耐火極限，應滿足GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018 年版）中6.1.1 條、6.1.7 條框架梁等承重結構的耐火極限應不低于防火墻的耐火極限的規定。

5）壓型鋼板組合樓板是建筑鋼結構中常用的樓板形式。根據GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》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，不需要進行防火保護。

7 結語

建筑鋼結構的耐火性能較差，是因為鋼材熱傳導系數很大，火災下鋼構件升溫快；鋼材強度隨溫度升高而迅速降低，使鋼結構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構的火災危害，必須對鋼結構進行科學的抗火設計，采取安全可靠、經濟合理的防火保護措施。

目前，建筑鋼結構的防火設計有試驗法和計算法2 種，試驗法無法精確反映溫度與應力的關系，局限性較多，所得的結果離散性較強。計算法基于鋼材的性能與火災升溫曲線關系，可精確計算鋼結構在高溫環境下的極限承載能力，所得結果更符合實際情況。

鋼結構耐火設計中，通常是設計單位提出各類構件的耐火極限要求，構件防火保護措施的形式，防火涂料的類型、性能要求和試驗檢測要求；由于防護涂料產品往往沒有確定，對防火涂料厚度難以提出具體要求。因此，對鋼結構防火涂料設計和檢驗要求時，應提供等效熱阻值，不能只提供耐火時間。

鋼結構構件應盡量選擇截面形狀系數較小的截面，其耐火性能更好，軸向拉壓構件溫度應力與構件設計承載力之比較大，宜選用高強度鋼材。

鋼結構的防火隔熱保護措施在相應的工作環境下應具有耐久性，并與鋼結構的防腐、防銹保護措施相兼容。