鋼結構抗火性能分析及改善措施研究與總結

李天平

甘肅建筑職業技術學院（730050）

0 概述

鋼結構輕質高強、抗震性能優良，廣泛應用于目前正在建設的新建結構中。相比于傳統的砌體結構和鋼筋混凝土結構，鋼結構在抗火方面的性能較差。根據許多起鋼結構建筑的火災事故表明，火災對于鋼結構的破壞是毀滅性的，因此，提高鋼結構的抗火性能是目前亟待解決的問題。

提高鋼結構抗火性能的方法主要有兩個方面:①進行抗火設計，提高結構的承載力冗余度以抵抗承載力的退化；②采取有效的保護措施，減緩鋼結構在火災下承載力衰退，達到增強結構構件抗火性能的作用。

1 鋼結構抗火設計

抗火設計是在設計過程中將火災因素納為考慮因素，提高鋼結構的承載力儲備，使鋼結構在火災導致承載力發生衰退之后，仍有足夠的承載力能支撐結構不發生倒塌。鋼結構抗火方面的設計可從鋼材、鋼構件、鋼結構體系三個層面進行。

1.1 鋼材

鋼材本身不具有可燃性，但鋼材在高溫環境下的機械物理性能和力學性能會明顯降低，當溫度超過800℃時，無防火保護的鋼結構強度會急劇降低，導致結構物局部破壞甚至整體坍塌。根據建筑火災的發展階段及失效情況可以得到，轟燃發生后空氣的溫度會迅速升高，通常在幾分鐘內可迅速達到1 000℃[1]，無防火保護和防火保護失效的鋼結構在火災中極易受到損害。

鋼材在高溫下的材料性能是決定抗火性能的根本，從這一層面，抗火設計的目標在于選取具有合適抗火性能的鋼材用于建筑設計。國外研究者對耐火鋼的研究效果更顯著，根據研究可以發現，屈服強度可以在600℃時保持在室溫值的2/3以上的建筑用耐火鋼，目前已廣泛應用于各種建筑工程中[2]。

1.2 鋼構件

火災使鋼材的強度和剛度降低，進而使梁柱等構件的承載力和穩定性降低，導致構件的破壞。因而從鋼構件層面，抗火設計主要是將計算公式在強度和穩定性兩個方面進行修正，具體設計公式如下:

相比于不考慮抗火設計的計算公式，以上公式中增加了多個修正系數。其中為在高溫下鋼材的強度的折減系數，引入該系數后，相當于考慮了鋼構件在高溫下強度的退化；均為高溫下鋼構件的穩定系數，這些系數相對于常溫下的穩定系數，都進行了一定的折減，相當于考慮了構件在高溫下剛度退化引起的穩定性降低。

1.3 鋼結構體系

從結構體系的整體來看，火災可能導致局部構件的失效，進而影響與之相連的多個構件，引發使得構件的失效在整個結構里蔓延，最終導致結構整體連續倒塌。因而從結構體系的層面上進行抗火設計，就是進行結構布置的優化，提高結構的超靜定程度，設計合理的傳力路徑，在部分構件失效后其余部分能夠合理的分擔荷載，不至發生構件連續失效而整體倒塌。

鋼結構體系層面上的抗火設計實際上就是對結構進行抗連續倒塌設計，通常可采用拆除構件法（抽柱法）進行設計[3]。拆除構件法就是將結構的部分構件拆除掉，以模擬該構件失效的情況。在研究中建立了一個框架，將其邊榀框架中間的柱拆除掉，分析剩余結構的受力特點，評估是否會引發新的構件失效。拆除柱子之后結構由最初的剪切型變形向剪彎形變形過渡，拆除柱子使得與該柱對應位置的所有梁出現塑性鉸而失效，產生了一定范圍的失效蔓延，故當此柱受火失效時，將對結構造成較大的破壞，需要考慮進一步加強優化。

2 鋼結構防火保護措施

在之前的研究中，結構工程師們才關注到外包混凝土對鋼結構剛度的增強作用，由此開始了對型鋼混凝土構件的研究，并分析了局部屈曲、軸壓比等情況[4]。目前鋼結構防火的主要的措施可分為兩類:截流法和疏導法，通過改造構件外部設施達到防火的目的。

2.1 截流法

截流法的主要思路是設置防火涂層或防火隔離層，將鋼構件與火隔絕開來，避免直接受火，延緩構建溫度的上升。常用的方法有在鋼結構外外包混凝土或砌筑磚砌體、涂敷防火涂層或防火卷材、單面屏蔽法等。

2.1.1 外包混凝土或砌筑磚砌體

該方法是將鋼構件外部用混凝土或砌體包裹，使構件不與火源接觸，減少熱量向鋼構件的傳遞。這種方法使用的材料簡易，成本低，但是混凝土的澆筑和砌體的砌筑需要較大的工程量，施工比較困難。

2.1.2 防火涂層或防火卷材

該方法是將專門的防火涂層或卷材敷設在鋼構件的表面，達到隔絕火災熱量的目的。常用的防火涂層種類繁多，根據厚度可以分為厚型和薄型兩類。厚型（H）涂層厚度8~45 mm，耐火極限0.5~3 h；薄型（B）涂層厚度3~7 mm，耐火極限0.5～1.5 h。另外根據受火狀態可分為非膨脹型和膨脹型。非膨脹型涂層自身有良好的阻燃隔熱性能，密度較小；膨脹型遇火迅速膨脹，防火效果好[5]。但也有不足:①防火卷材經常應用于屋頂上，但是眾所周知，室內發生火災后，火勢蔓延，往屋頂燃燒，其中該方案中的防火涂層設置再最上方，這便使最先接收火勢帶來的熱量的是最下層的粘貼層，其中粘貼層無法對熱量進行阻擋，使從卷材的底部至上方溫度逐漸升高，融化卷材，使處于最上方的防火涂層發揮不了其防火作用，導致卷材喪失其作用；②其中當發生大型火災時，卷材開始燃燒第一條件便是溫度達到燃點，然而該方案中的卷材雖然能在一定程度上對吸煙、電焊、電線短路等引起火災起到阻擋作用，但是卷材無法實現控制其自身的燃點，導致當發生大型火災時，起不到任何的防火作用。

2.1.3 單面屏蔽法

單面屏蔽法是在構件的迎火面設置防火隔離層，將火源擋在隔離層以外，以減緩構件受火升溫。同時隔絕火源，使得鋼結構的溫度上升較慢，最高溫也有所降低。對于鋼柱，可在柱周圍設置一圈防火隔離層，將柱封閉在隔離層中，保護鋼柱。對于鋼梁和組合樓板，可設置防火吊頂，隔絕下部火源的熱量，達到增強結構構件抗火性能的作用。這種方法經濟型較好，可在特殊部位設置，是一種廣泛采用的可以提高鋼結構抗火性能的方法。

此外，近年來又新興起了一種鋼化玻璃防火隔斷的保護措施。但是鋼化玻璃隔斷自身的耐熱性能較差，在無自動噴水系統冷卻保護時，在較短的時間內發生破碎，失去其耐火完整性[6]。因而噴水系統可以對玻璃進行有效的降溫，提高了玻璃的隔熱性能，使之可作為有效的防火分隔措施。由于防火玻璃和噴淋系統造價偏高，同時噴淋系統也為施工增加了難度，因而防火玻璃隔斷在工程中應用較少，更多的是用在重要設備的防火隔離措施中。

2.2 疏導法

疏導法是通過冷卻系統將傳遞在鋼構件上的熱量帶走，給受火構件降溫，使構件始終保持在比較低的溫度，不至于達到臨界溫度。常用的方法有水冷卻法、水噴淋法等。在水的作用下可以有效減緩結構構件溫度的上升，利用水循環將溫度較高的結構構件的熱量帶走，降低火災區域鋼結構構件的溫度。

水冷卻法是利用水作為冷卻液注入鋼構件的空腔中，利用水受熱后上升的特點推動整個結構中的水進行循環，將火災熱量帶到未受火區域散掉，將溫度較高區域的熱量帶至其他結構構件處，結構整體溫度不出現局部過高的情況，防止結構構件因高溫失效，確保受火區域構件的溫度不達到臨界溫度。同時為了防止鋼結構構件生銹，可在循環水中添加阻銹劑。

水噴淋法是設置類似于消防噴淋設施的噴淋系統，當火災發生時，系統自動啟動或需人工啟動向鋼構件噴淋水降溫，在給結構構件降溫的同時也能起到一定的滅火作用，確保鋼構件在火災中不會溫度過高而失效[7]。

3 總結

鋼結構抗火性能的提高方法主要有抗火設計和提前設置對鋼結構的保護措施兩種。前者在設計過程中考慮抗火因素，將構件的承載力冗余度提高，以抵消火災帶來的承載力退化；后者在已有鋼構件的基礎上，從阻隔火災熱量輸入和加快構件熱量耗散的角度來進行防火保護，控制構件溫度不達到臨界溫度。總之，以上方法都對鋼結構的抗火性能具有不同程度的提高，在實際工程中，要根據工程的防火等級、造價成本、災害后果等因素綜合考量，選擇多種措施組合，以提高鋼結構的抗火能力。