《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》解讀及應用

中交第三航務工程勘察院有限公司，上海 200032

1 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗不斷的成熟，煉鋼技術(shù)不斷的提高，鋼材的成本不斷的降低，鋼結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域應用越來越廣，同時因為鋼材自重輕，工期短，環(huán)保可循環(huán)再次利用等優(yōu)點也被大力提倡和推行，鋼已成為我國民經(jīng)濟建設(shè)的重要材料的一部分。

2015 年5 月1 日，《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2014開始正式實施，與此同時原《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006 與《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》一起廢止。從此，一本規(guī)范統(tǒng)一了建筑防火的規(guī)定。2017 年7 月31 日發(fā)布了《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》 GB51249-2017，提高了對防火設(shè)計的要求和規(guī)定。

2 歐標規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)升溫特性研究對《規(guī)范》的影響

2.1 歐標規(guī)范鋼抗火實驗

目前對于鋼構(gòu)抗火實驗主要有兩種：定載升溫實驗及定溫升載實驗。

普遍實驗結(jié)果得到：在低于250℃的外部狀態(tài)下，鋼材的力學特性無特別大的變化，彈性模量及屈服強度基本恒定不變，當外部溫度達到250℃時鋼材發(fā)生藍脆，繼續(xù)升高溫度達到250℃以上時，鋼材力學特性緩步下降，塑性力學特性緩步提高，外部溫度達到300℃時鋼構(gòu)應力應變未見明顯屈服點。實驗發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下應變出現(xiàn)明顯蠕變性，應變主要由蠕變應變、瞬時應變和膨脹應變組成。

2.2 歐標規(guī)范鋼抗火模型

鋼應力應變模型有分段直線模型和連續(xù)光滑模型兩類。分段直線模型較為簡單，便于操作使用，連續(xù)較復雜，現(xiàn)今普遍認可的模型主要有Ramberg-Osgood模型及Douns模型等。歐洲規(guī)范EUROCODE 應力應變模型為分段模型，如下表1 所示：

其中fyT為溫度達到Ts時的屈服強度；fpT為溫度達到Ts時的比例極限；εlT為溫度達到時鋼材屈服強度相應的最大應變；εuT為溫度達到時鋼材的極限應變。模型公式顯示鋼在高溫下沒有特定的屈服平臺。鋼屈服應力取值為應變?yōu)?%時的應力。

表1 eurocode 高溫結(jié)構(gòu)應力應變關(guān)系

根據(jù)對ASTM A36 鋼的高溫試驗得到的應力-應變曲線，如下圖1

圖1 ASTM A36 鋼的高溫應力-應變曲線

由于溫度達到300℃后，鋼材已屈服段特征，對于設(shè)計及研究需要一個鋼材的名義屈服強度作為定值。一般采用塑性殘余應變對應的應力來作為鋼材名義屈服強度（常溫取0.2%應變），詳見下圖2

圖2 鋼材高溫名義屈服強度定義

我國對0.2%，0.5%，1.0%等名義應變水平高溫屈服強度并按規(guī)范公式計算各種溫度情況下鋼屈服強度折減系數(shù)ηsT和彈性模量折減系數(shù)χsT，這些都成為了 《規(guī)范》建立的基石，才有了規(guī)范的三大抗火計算方法，耐火極限法、承載力法和臨界溫度法。

3 依據(jù)《規(guī)范》條文防火設(shè)計比較

3.1 防火設(shè)計方法

現(xiàn)在普遍可用的及規(guī)范提及的防火設(shè)計方法主要有2 種：a.主要通過實驗的方法，通過進行各種類型材料在一定的荷載分布與標準升溫曲線下的耐火試驗，確定在不同防火防護措施下各種構(gòu)件的耐火時間，再根據(jù)不同的耐火時間要求，采取相應的防火措施。b.主要通過現(xiàn)在一些有限元軟件，依據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》要求，運用承載力法或者臨界溫度法的計算方法，以建立的各種端部約束狀態(tài)模型為基礎(chǔ)，進行火災中承載力極限狀態(tài)的抗火設(shè)計。

3.2 防火設(shè)計步驟

先假定一定的防火材料覆蓋方式，計算鋼構(gòu)件在火災持續(xù)時間條件下的內(nèi)部溫度，通過高溫下的材料性能參數(shù)及構(gòu)件外荷載及溫度力的作用，進行荷載組合并區(qū)分受載構(gòu)件的類型，進行鋼構(gòu)防火承載力極限狀態(tài)驗算，最后確定防火材料的厚度。

3.3 防火設(shè)計實例比較

假設(shè)有一簡支鋼梁截面為H550×200×10×16，Q235 鋼，在標準火災下燃燒20min，試算無防護措施及有膨脹型薄型防火涂料條件下，鋼結(jié)構(gòu)的軸力的區(qū)別及變化。

3.3.1 無防火保護鋼構(gòu)件情況

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）（6.2.1-1）公式

此公式為外部熱煙氣溫度引起的鋼構(gòu)內(nèi)部溫度迭代公式；

另《規(guī)范》6.2.1條文說明，表9，截面形狀系數(shù)F/V=（2h+3b-2t）/A=（2×0.55+3×0.2-2×0.010）/117.25×10-4=143.28m-1；《規(guī)范》在6.2.1 條文說明中表10 中也給出了迭代公式結(jié)果表格.火災時間20min，空氣熱煙氣溫度為781℃，鋼材中心溫度為Ts=712.4℃；《規(guī)范》在5.1.2 公式中：當300 ℃＜Ts＜800 ℃時ηsT=1.24×10-8T3s-2.096×10-5T2s+9.228×10-3Ts-0.2168=0.203

3.3.2 采用膨脹型薄型防火涂料鋼構(gòu)件情況

《規(guī)范》5.3.2 公式

此公式是根據(jù)標準耐火試驗的得到的鋼構(gòu)件實測升溫曲線計算，不同的厚度及不同的材料對應不同的等效熱阻。根據(jù)試件A，試件截面為200mm×270mm×16mm，實驗數(shù)據(jù)同時記錄爐溫和試件側(cè)溫，得到溫度升溫時間曲線如下圖3，由此計算18mm 厚膨脹型薄型防火涂料熱阻。

圖3 18mm 厚膨脹型薄型防火涂料升溫曲線

根據(jù)公式計算得到試件A 防火涂料等效熱阻為Ri=0.2（m2·℃/W）

《規(guī)范》 6.2.2 條文說明表15，火災時間20min，空氣熱煙氣溫度為781℃，鋼材中心溫度為Ts=116.7℃；《規(guī)范》在5.1.2 公式中：當20℃≤Ts ≤300℃時ηsT=1.0；即高溫下結(jié)構(gòu)鋼強度值不折減。

3.3.3 兩種結(jié)果對比

在未采用任何保護的鋼構(gòu)件，標準火災升溫曲線中，當曝火時間為20min 時，鋼構(gòu)的強度基本只剩下20%；而如果涂抹膨脹型薄型防火涂料，當鋼構(gòu)件曝火，熱阻值隨時間緩步增長，在阻燃的同時放出阻燃氣體，能很好的阻隔熱煙氣對鋼構(gòu)的熱量傳遞，基本鋼構(gòu)的強度沒有折減。熱阻的數(shù)值衡量了涂料的防火效果，是表征其防火能力的重要指標

4 市場普遍防火材料及措施

目前市場上防火措施多種多樣，使用最多的三大類：超薄型防火涂料、薄型防火涂料、厚型防火涂料。

4.1 超薄型防火涂料

該類防火涂料為溶劑型材料，涂料厚度一般小于3mm，具有裝飾外觀好，耐水性能強，流動性好，粘結(jié)力強等優(yōu)點，當火災發(fā)生，在高溫環(huán)境下受熱膨脹，從而形成堅硬致密的隔熱層。一般施工方法為噴涂和刷涂，施工難度低，周期短，成本小。其相對于厚型防火涂料及薄型防火涂料有較大優(yōu)勢，目前超薄型防火涂料已被普遍使用。

4.2 薄型防火涂料

該類防火涂料由合適的水性聚合物為基料，再配以阻燃劑復合體系、耐火纖維、防火添加劑混合而成。涂料厚度一般為2mm～7mm之間。遇火膨脹隔熱，產(chǎn)生惰性氣體，但該涂料對鋼材的水性聚合性能有較高要求，要求鋼材有較好的基材附著性、耐水性以及耐久性，耐火極限一般為2h，與厚型涂料相比在裝飾性方面有較好的優(yōu)勢，但弱于超薄型防火涂料。

4.3 厚型防火涂料

該類防火涂料基料大都都是無機物，成本低廉，涂料涂層厚度在8mm～50mm 范圍，耐火極限為0.5h～3h，火災時它的阻燃性能是依靠其不燃性、吸熱性和低導熱性來阻絕鋼材升溫，其本身不產(chǎn)生煙氣，綠色環(huán)保，但美觀性相對其他類涂料差。

5 結(jié)論

《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》基本采用結(jié)構(gòu)分析與耐火鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法，總的來說與歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS 歐標規(guī)范采用的思路與方法相同；防火涂料對裸露的鋼構(gòu)件火災保護比較強，能有效防止火災對鋼構(gòu)件強度折損，且等效熱阻是衡量防火涂料的重要參數(shù)；市面上防火措施與材料眾多，設(shè)計者需了解每種材料與特點，根據(jù)施工成本施工進度及計劃合理的選取防火措施與材料。