《建筑钢结构防火技术规范》解读及应用

中交第三航务工程勘察院有限公司，上海 200032

1 引言

随着钢结构设计经验不断的成熟，炼钢技术不断的提高，钢材的成本不断的降低，钢结构在不同领域应用越来越广，同时因为钢材自重轻，工期短，环保可循环再次利用等优点也被大力提倡和推行，钢已成为我国民经济建设的重要材料的一部分。

2015 年5 月1 日，《建筑设计防火规范》GB50016-2014开始正式实施，与此同时原《建筑设计防火规范》GB50016-2006 与《高层民用建筑设计防火规范》一起废止。从此，一本规范统一了建筑防火的规定。2017 年7 月31 日发布了《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017，提高了对防火设计的要求和规定。

2 欧标规范钢结构升温特性研究对《规范》的影响

2.1 欧标规范钢抗火实验

目前对于钢构抗火实验主要有两种：定载升温实验及定温升载实验。

普遍实验结果得到：在低于250℃的外部状态下，钢材的力学特性无特别大的变化，弹性模量及屈服强度基本恒定不变，当外部温度达到250℃时钢材发生蓝脆，继续升高温度达到250℃以上时，钢材力学特性缓步下降，塑性力学特性缓步提高，外部温度达到300℃时钢构应力应变未见明显屈服点。实验发现钢结构在高温条件下应变出现明显蠕变性，应变主要由蠕变应变、瞬时应变和膨胀应变组成。

2.2 欧标规范钢抗火模型

钢应力应变模型有分段直线模型和连续光滑模型两类。分段直线模型较为简单，便于操作使用，连续较复杂，现今普遍认可的模型主要有Ramberg-Osgood模型及Douns模型等。欧洲规范EUROCODE 应力应变模型为分段模型，如下表1 所示：

其中fyT为温度达到Ts时的屈服强度；fpT为温度达到Ts时的比例极限；εlT为温度达到时钢材屈服强度相应的最大应变；εuT为温度达到时钢材的极限应变。模型公式显示钢在高温下没有特定的屈服平台。钢屈服应力取值为应变为2%时的应力。

表1 eurocode 高温结构应力应变关系

根据对ASTM A36 钢的高温试验得到的应力-应变曲线，如下图1

图1 ASTM A36 钢的高温应力-应变曲线

由于温度达到300℃后，钢材已屈服段特征，对于设计及研究需要一个钢材的名义屈服强度作为定值。一般采用塑性残余应变对应的应力来作为钢材名义屈服强度（常温取0.2%应变），详见下图2

图2 钢材高温名义屈服强度定义

我国对0.2%，0.5%，1.0%等名义应变水平高温屈服强度并按规范公式计算各种温度情况下钢屈服强度折减系数ηsT和弹性模量折减系数χsT，这些都成为了 《规范》建立的基石，才有了规范的三大抗火计算方法，耐火极限法、承载力法和临界温度法。

3 依据《规范》条文防火设计比较

3.1 防火设计方法

现在普遍可用的及规范提及的防火设计方法主要有2 种：a.主要通过实验的方法，通过进行各种类型材料在一定的荷载分布与标准升温曲线下的耐火试验，确定在不同防火防护措施下各种构件的耐火时间，再根据不同的耐火时间要求，采取相应的防火措施。b.主要通过现在一些有限元软件，依据《建筑钢结构防火技术规范》要求，运用承载力法或者临界温度法的计算方法，以建立的各种端部约束状态模型为基础，进行火灾中承载力极限状态的抗火设计。

3.2 防火设计步骤

先假定一定的防火材料覆盖方式，计算钢构件在火灾持续时间条件下的内部温度，通过高温下的材料性能参数及构件外荷载及温度力的作用，进行荷载组合并区分受载构件的类型，进行钢构防火承载力极限状态验算，最后确定防火材料的厚度。

3.3 防火设计实例比较

假设有一简支钢梁截面为H550×200×10×16，Q235 钢，在标准火灾下燃烧20min，试算无防护措施及有膨胀型薄型防火涂料条件下，钢结构的轴力的区别及变化。

3.3.1 无防火保护钢构件情况

《建筑钢结构防火技术规范》（以下简称规范）（6.2.1-1）公式

此公式为外部热烟气温度引起的钢构内部温度迭代公式；

另《规范》6.2.1条文说明，表9，截面形状系数F/V=（2h+3b-2t）/A=（2×0.55+3×0.2-2×0.010）/117.25×10-4=143.28m-1；《规范》在6.2.1 条文说明中表10 中也给出了迭代公式结果表格.火灾时间20min，空气热烟气温度为781℃，钢材中心温度为Ts=712.4℃；《规范》在5.1.2 公式中：当300 ℃＜Ts＜800 ℃时ηsT=1.24×10-8T3s-2.096×10-5T2s+9.228×10-3Ts-0.2168=0.203

3.3.2 采用膨胀型薄型防火涂料钢构件情况

《规范》5.3.2 公式

此公式是根据标准耐火试验的得到的钢构件实测升温曲线计算，不同的厚度及不同的材料对应不同的等效热阻。根据试件A，试件截面为200mm×270mm×16mm，实验数据同时记录炉温和试件侧温，得到温度升温时间曲线如下图3，由此计算18mm 厚膨胀型薄型防火涂料热阻。

图3 18mm 厚膨胀型薄型防火涂料升温曲线

根据公式计算得到试件A 防火涂料等效热阻为Ri=0.2（m2·℃/W）

《规范》 6.2.2 条文说明表15，火灾时间20min，空气热烟气温度为781℃，钢材中心温度为Ts=116.7℃；《规范》在5.1.2 公式中：当20℃≤Ts ≤300℃时ηsT=1.0；即高温下结构钢强度值不折减。

3.3.3 两种结果对比

在未采用任何保护的钢构件，标准火灾升温曲线中，当曝火时间为20min 时，钢构的强度基本只剩下20%；而如果涂抹膨胀型薄型防火涂料，当钢构件曝火，热阻值随时间缓步增长，在阻燃的同时放出阻燃气体，能很好的阻隔热烟气对钢构的热量传递，基本钢构的强度没有折减。热阻的数值衡量了涂料的防火效果，是表征其防火能力的重要指标

4 市场普遍防火材料及措施

目前市场上防火措施多种多样，使用最多的三大类：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

该类防火涂料为溶剂型材料，涂料厚度一般小于3mm，具有装饰外观好，耐水性能强，流动性好，粘结力强等优点，当火灾发生，在高温环境下受热膨胀，从而形成坚硬致密的隔热层。一般施工方法为喷涂和刷涂，施工难度低，周期短，成本小。其相对于厚型防火涂料及薄型防火涂料有较大优势，目前超薄型防火涂料已被普遍使用。

4.2 薄型防火涂料

该类防火涂料由合适的水性聚合物为基料，再配以阻燃剂复合体系、耐火纤维、防火添加剂混合而成。涂料厚度一般为2mm～7mm之间。遇火膨胀隔热，产生惰性气体，但该涂料对钢材的水性聚合性能有较高要求，要求钢材有较好的基材附着性、耐水性以及耐久性，耐火极限一般为2h，与厚型涂料相比在装饰性方面有较好的优势，但弱于超薄型防火涂料。

4.3 厚型防火涂料

该类防火涂料基料大都都是无机物，成本低廉，涂料涂层厚度在8mm～50mm 范围，耐火极限为0.5h～3h，火灾时它的阻燃性能是依靠其不燃性、吸热性和低导热性来阻绝钢材升温，其本身不产生烟气，绿色环保，但美观性相对其他类涂料差。

5 结论

《建筑钢结构防火技术规范》基本采用结构分析与耐火钢结构防火设计方法，总的来说与欧洲钢结构协会ECCS 欧标规范采用的思路与方法相同；防火涂料对裸露的钢构件火灾保护比较强，能有效防止火灾对钢构件强度折损，且等效热阻是衡量防火涂料的重要参数；市面上防火措施与材料众多，设计者需了解每种材料与特点，根据施工成本施工进度及计划合理的选取防火措施与材料。