高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施

韩剑+吴金华

（河南消防总队周口市支队）

摘 要：钢结构在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。钢结构优点很多，但却有一个致命的缺陷：耐火性能差，结构发生火灾后在很短的时间内就能把建筑物烧毁。文中针对钢材的抗火性能，参考了国内外的资料，总结出了钢结构的抗火设计方法及保护方法，并给出一些建议，为钢结构的设计提供参考。

关键词：高层建筑钢结构；抗火设计；防火措施

随着城市化进程的不断推进，城市可利用的空间也越来越小，从而推动了城市高层以及超高层建筑的高速发展，而钢结构在高层建筑以及超高层建筑中也得以大量采用，在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。

钢材虽然是非燃烧材料，耐热但不耐高温，不耐火，这也是其致命的弱点。随着温度的升高，钢材的强度和刚度下降，当温度超过300℃时，钢材的屈服强度和弹性模量开始明显降低；当温度达到400℃时，其屈服强度将下降到常温下的一半左右，弹性模量将下降到常温下的60%左右；当温度超过500℃时，钢材会发生明显的塑性变形，超过500℃时钢材的承载力将急剧降低；当温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。

对高层建筑钢结构进行抗火设计具有如下意义：

1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；

2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；

3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

一、高层建筑钢结构抗火设计的基本方法

钢结构抗火设计的实质是：选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性，满足承载能力的规定。

基于试验的构件抗火设计是一种简单、直观的方法。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火时间，然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下的标准试验，测定其抗火时间。设计目标为：结构（构件）的抗火时间不小于规范规定的耐火时间。我国《现行建筑设计防火规范》（GBJ16—87）中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。目前建筑物趋于功能复杂，体量大型化。同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大。其次，构件在结构中受力很难模拟，而受力的大小对构件耐火时间的影响很大。最后，构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。鉴于试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。

结构抗火设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法：

1基于试验的构件抗火设计方法

基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。但是该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时间的影响很大。最后，构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。因此，是难以分析这些因素对构件耐火时间的影响。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。

2基于计算的构件抗火设计方法

从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所采用。文献总结了在火灾下构件抗火设计的计算方法：梁的最终极限状态分析法；利用柱的曲屈曲线法；梁-柱构件的变形法和数值方法等。屈立军采用简单的温度模型和理想塑性应力-应变曲线作为高温下钢材的本构关系，得出纯弯、拉弯和压弯构件的临界温度计算公式。计算中只考虑了强度的降低，没考虑温度应力的影响。

3基于计算的结构抗火设计方法

基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标，认为火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是超静定钢结构体系，当结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，整体结构仍有一定的承载能力。基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的，但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法。

4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法

基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标，考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究，但成果还不多。人们认为这是结构抗火设计的发展方向。

以上四种方法中基于试验的抗火设计方法基本上被淘汰，现在的试验一般用來检验理论研究的结果。基于计算的构件抗火设计方法研究已有一定的理论成果和工程应用实践。基于计算的结构抗火设计方法是以高温下钢结构整体反应为目标的设计方法，是目前钢结构抗火设计的整体发展趋势。

二、高层建筑钢结构的防火措施

对于高层建筑钢结构，除了进行基本的抗火设计，还必须考虑可行的防火保护措施，将两者紧密的结合起来。钢结构防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。常用防火措施现行基本有以下几种：

1喷涂法

该方法采用专门设备将一定厚度防火涂料直接喷在钢结构构件表面上，具有造价较低、施工快速、复杂的细部亦容易覆盖等优点，视防火层厚度的大小抗火时间也有所不同，最高可达4个小时。但由于喷涂表面不平整，影响美观。故适用于比较隐蔽的钢构件。防火涂料一般由硅石添加粘结剂或矿物纤维制成。

2防火板隔离法

将表面平整的防火材料板采用机械方法螺栓连接或捆扎环绕固定在钢构件的四周，一般做成箱状，将构件和周围火环境隔离，以达到降低构件的受热速度，确保构件在一定的防火时效内不致达到其极限温度。由于防火板可在工厂批量生产，所以具有厚度一致、品质保证、干净无污染等优点。其外表平整、美观，故较为适用于外露构件如钢柱的防火处理，大部分产品抗火时间可达到4小时。但对于结构复杂的细部施工较困难，装配速度较慢。

3膨胀漆覆盖法

将一定厚度的膨胀漆采用喷涂、刷或抹的方式在经过一定处理的构件表面形成一层保护膜，最高可满足2小时的抗火时间要求。膨胀漆防火材料覆盖层遇高温时能够自然澎胀成泡沫状，形成一层很厚的隔热毯，其厚度可达原防火层厚度的数十倍，以降低钢构件的升温速率。该方法可作为钢构件的表面装修，具有施工迅速且易于在复杂的结构细部施工等优点，但大都不适合潮湿的环境，仅适用于干燥的室内环境。视材料防火性能的不同，该方法造价可高可低。

4水泥砖块填充法

对于某些截面的H型钢柱，在其翼缘和腹板之间的空隙处填入水泥砖以降低构件表面的曝火面积，同时使断面上产生不同的温度区域，从而达到降低构件的受热速率，提高其抗火性能的目的。单独采用该方法可能达到30分钟的抗火时间，如果需要更高的抗火时效，则须对暴露的钢构件表面施以其它的防火处理。

5水冷却法

将空心的钢柱（或钢梁）连成管网，其内充满含抗冻剂、防锈剂的水溶液，通过着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带走；也可以设置自动水淋装置，在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动喷水，在钢构件表面形成一道致密的连续流动的水膜，从而起到防火保护作用.

高层建筑钢结构的防火保护方法并不是单单用上面的某一种方法，而是采用多法结合作用。现在高层或超高层钢结构往往设置几道防火防线，一般以喷淋法为第一道防线，以防火板隔离法和喷涂法为第二、第三道防线等。

总之，高层建筑钢结构抗火设计方面的研究虽然已经取得一定的成果，但是仍有许多亟待解决的问题。对于钢结构的抗火设计我国还没有具体的、系统的方法及要求。另外，与国外相比，国内的研究相对滞后，特别是在试验研究和数值模拟分析方面。因此，我们应当加强这一领域各方面的研究；而对于结构设计工作者来说，也应将抗火设计融入钢结构的设计概念中，通过多渠道学习，了解并加以运用。

参考文献

[1]李國强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2]李国强.钢结构抗火设计方法的发展[J].钢结构，2000（3）.

[3]杜娟，魏德敏.钢结构抗火研究[J].科技情报开发与经济，2003（9）.