建筑钢结构防火设计分析与研究

谈建国，谈路遥，金烁

（1 东风设计研究院有限公司，武汉 430056；2 中冶南方工程技术有限公司，武汉 430056)

1 引言

钢结构建筑因其自重轻，抗震性能好，装配化程度高，施工进度快等特点，近年来得到广泛应用。钢材属于不燃烧材料，但在火灾条件下，通常钢材的临界温度仅为550 ℃，不加防护的钢结构耐火极限为15 min 左右，火灾时钢结构将会发生大的变形，从而失去承载能力。因此，钢结构防火设计尤为重要。本文根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018版）、GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》有关要求，将钢结构进行防火设计处理，防止钢结构在火灾中迅速升温发生变形而倒塌。

2 建筑钢结构防火的要求

理论上说，没有烧不垮的建筑，只是坚持的时间长短而已。建筑钢结构防火就是保证火灾时建筑钢结构在一定时间内不破坏，因此，建筑钢结构防火应根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）对建筑类别及其火灾危险性合理定性，确定建筑物的耐火等级及其建筑构件的耐火极限和燃烧性能等，建筑构件的燃烧性能和耐火极限决定了整体建筑的耐火等级。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）附录中注9：无防火保护层的钢梁、钢柱、钢楼板和钢屋架，其耐火极限只有0.25 h[1]。可见钢材的耐火性能极差，钢结构非常怕火，火灾下钢材强度，刚度快速衰减。无保护状态下15 min 几乎丧失承载能力，所以建筑钢结构需进行防火设计，目前建筑钢结构最常用防火措施就是在钢结构表面敷设防火涂料。

3 建筑钢结构防火设计方法

GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.2.3 条，钢结构的防火设计应根据结构的重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火验算或基于构件耐火验算的防火设计方法。基于整件结构的方法定性容易、定量难，适用于大跨度钢结构等大型公建。其他结构可以采用基于构件耐火验算的设计方法。钢结构构件的耐火验算和防火设计可采用耐火极限性、承载力法或临界温度法，其本质都是：

式中，Rd为结构构件抗力的设计值；Sm为荷载（作用）效应组合的设计值。

1）耐火极限法是构件的模拟实验法，即在荷载作用下直接“烧”出构件的实际耐火极限。此方法是GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）采用的主要方法，也是目前建筑施工图设计中应用最广泛的方法。但GB 50016—2014《建筑防火设计规范》（2018 年版）附录中的数值未考虑构件的大小和截面形状，实际荷载和结构构件间的约束关系，广泛用于具体工程设计中欠妥。特别是对于火灾敏感的钢结构工程，不宜直接应用表中数值。

2）承载力法或临界温度法都是在实验基础上总结出来的理论计算方法[2]。承载力法以承载力为指标，要求构件在耐火时间内满足耐火承载力极限状态的要求。而临界温度法则是以温度计算为核心，火灾下钢构件最高温度不得超过其临界温度。按GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中7.1、7.2 条的规定进行设计计算，也可采用相关的计算软件计算。PKPM 采用临界温度法进行构件耐火验算，原理上不能实现有多余约束的轴力杆体系耐火计算。在计算有多余约束的轴力杆件时，因为轴力杆件刚度变化引起内力重分布，必须结合承载力法才能得到构件的升温刚度，这种情况下采用临界温度法是欠妥的。YJK（北京盈建科）采用承载力法进行构件耐火验算，3D3S（同济大学）同时采用承载力法和临界温度法进行构件耐火验算，符合GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.2.5 条规定，采用临界温度法进行构件耐火验算时，需要定义防火涂料类型。

3）依据GB 50017—2017《钢结构设计标准》第18.1.3 条及GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.14、强条第3.2.1 条的规定，钢结构的防火设计当采用非膨胀性防火涂料作防火保护时，应给出防火保护的设计厚度和防火保护材料的等效热传导系数的设计值。当采用膨胀型防火涂料时，应给出防火保护层的等效热阻值，业主单位可依据消防产品厂商提供的防火保护层的等效热阻值-厚度对应表，根据等效热阻值确定防火保护层的厚度。

4 建筑钢结构防火涂料

依据GB 14907—2018《钢结构防火涂料》，钢结构防火涂料一般分为膨胀型和非膨胀型2 种。膨胀型又称为薄型防火涂料（厚度小于或等于3 mm 为超薄型，小于或等于7 mm 为薄型），该类防火涂料由有机树脂为基料，再配以发泡剂、阻燃剂、成碳剂等，遇火后自身发泡膨胀，形成多孔碳化层可阻挡外部热源对基材的传热，起到绝热屏障的作用。但随着时间延长，部分有机物发生分解、降解，“老化”失效，涂层出现粉化、脱落，其耐久性较差，对耐火性能要求较高的建筑和构件不宜选用。膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～2.0 h。非膨胀型又称为厚型防火涂料（厚度一般为7～50 mm），该类防火涂料由多孔轻质无机绝热材料为基料，再配以无机黏结剂等，涂层的物理化学性能稳定，遇火不膨胀，其防火机理利用涂层良好的绝热性以及高温下部分成分的蒸发分解等烧蚀反应而产生的吸热作用，来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，延缓钢构件升温。非膨胀型防火涂料耐火极限可达0.5～3.0 h。

膨胀型和非膨胀型2 种防火涂料性能对比见图1。

图1 2 类涂料性能对比

一般室内用溶剂性膨胀型普通钢结构防火涂料，室外用水基性非膨用型特种钢结构防火涂料或者环氧类膨胀型防火涂料[3]。某些特殊构件如柔性支撑、拉索等截面较小，用非膨胀型防火涂料附着厚度不可能达到该类防火涂料要求；用膨胀型防火涂料附着厚度薄，膨胀效果差，防火效果不好；故宜采用柔性毡状隔热材料。

钢结构防火涂料与防锈漆兼容是钢结构防火保护的技术难题。在实际工程中，为了节约成本，大量钢结构公司选用调和漆作为防锈漆。调和漆漆膜附着力差，容易空鼓、脱落，因此建议采用环氧类涂料作为防锈漆。

5 规范中几个术语的理解

1）截面形状系数：有防火保护钢构件的截面形状系数Fi/V 不仅与钢构件的截面特性有关，还与防火保护层的做法有关。该系数在进行钢构件防火计算中都会遇到。GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中6.2.2 条的定义是“构件的防火保护材料内表面与单位长度钢构件的体积之比”，与建筑节能计算中建筑体型系数计算是一致的。钢构件（如轻薄截面）的形状系数越大，耐火时间越短。反之，钢构件（如厚实截面）的形状系数越小，耐火时间越长。

2）荷载比：火灾下结构或构件的荷载效应设计值与其常温下的承载力设计值的比值。是衡量火灾下结构或构件承载力水平的重要指标，是临界温度法进行构件耐火验算的必要参数。荷载比越大，耐火时间越长。反之，荷载比越小，耐火时间越短。

3）热传导系数：非膨胀型（厚型）防火涂料的等效热传导系数λi可按GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中式（5.3.1）进行计算：

式中，λi为等效热传导系数，[W/（m·℃）]；di为防火保护层的厚度；Fi/V 为有防火保护钢试件的截面形状系数，m-1，应按GB 51249—2017 第6.2.2 条计算；TS0为开始时钢试件的温度，可取20 ℃；TS为钢试件的平均温度，℃，取540 ℃；t0为钢试件的平均温度达到540 ℃的时间，s。

该系数可综合反映防火涂料在火灾下传热、隔热的实际性能。一般情况下，非膨胀型（厚型）防火涂料约为0.1 W/（m·℃）。λi代表不同材料表面之间的热传导量，λi值越小，防火隔热效果越好。

4）等效热阻：膨胀型（薄型）防火涂料保护层的等效热阻Ri可按GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中式（5.3.2）进行计算，也可按（6.2.2）条文说明进行取值，取值范围在0.01～0.5。

式中，Ri为防火保护层的等效热阻（对应于该防火保护层厚度），m2·℃/W。

该系数可综合反应钢结构防火涂料的导热系数和膨胀厚度的变化。不仅反映了防火涂料导热系数的变化对防火涂料性能的影响，还考虑了涂层膨胀厚度对其性能的影响，这一点对膨胀型（薄型）防火涂料来说尤其重要。Ri代表防火隔热材料阻止热量穿过的能力，Ri值越大，防火隔热效果越好。

6 规范中几个条款的把握

1）GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》第4.1.3条4 款要求非膨胀型防火涂料层厚度不小于10 mm，而GB 14907—2018《钢结构防火涂料》第5.1.5 条要求膨胀型钢结构防火涂料的涂层厚度应不小于1.5 mm，非膨胀型钢结构防火涂料的涂层厚度应不小于15 mm，工程设计时宜按GB 14907—2018《钢结构防火涂料》规定执行。

2）GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中4.1.3条2 款：设计耐火极限大于1.5 h 的构件，不宜选用膨胀型防火涂料，而GB 14907—2018《钢结构防火涂料》中5.2.3 条表4中膨胀型防火涂料的耐火极限值可到2.0 h，设计时应按GB 14907—2018《钢结构防火涂料》执行。

3）GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）中表3.2.1 屋顶承重构件（如屋面檩条）有耐火极限（1.0 h）的要求，屋面檩条都需刷防火涂料。而GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中3.1.1 条文说明只有兼作纵向支杆，对主结构（如屋架、屋面梁）起到侧向支撑作用的檩条和隅撑才需要考虑刷防火涂料，其余檩条可不刷防火涂料，设计时应按GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》执行。

4）防火墙是防止火灾蔓延至相邻建筑或相邻水平防火分区且耐火极限不能低于3.00 h 的不燃性墙体。而建筑钢结构体系中钢梁的最大耐火极限是2.0 h，钢柱的最大耐火极限是3.0 h，支撑防火墙的钢梁和钢柱的耐火极限可能低于防火墙的耐火极限，这种构件重叠时应采用较高要求确定耐火极限，应满足GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）中6.1.1 条、6.1.7 条框架梁等承重结构的耐火极限应不低于防火墙的耐火极限的规定。

5）压型钢板组合楼板是建筑钢结构中常用的楼板形式。根据GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中8.2.1 条文说明，压型钢板组合楼板中的压型钢板仅作为施工模板使用时，不需要进行防火保护。

7 结语

建筑钢结构的耐火性能较差，是因为钢材热传导系数很大，火灾下钢构件升温快；钢材强度随温度升高而迅速降低，使钢结构不能承受外部荷载而失效破坏。因此，为了防止和减小建筑钢结构的火灾危害，必须对钢结构进行科学的抗火设计，采取安全可靠、经济合理的防火保护措施。

目前，建筑钢结构的防火设计有试验法和计算法2 种，试验法无法精确反映温度与应力的关系，局限性较多，所得的结果离散性较强。计算法基于钢材的性能与火灾升温曲线关系，可精确计算钢结构在高温环境下的极限承载能力，所得结果更符合实际情况。

钢结构耐火设计中，通常是设计单位提出各类构件的耐火极限要求，构件防火保护措施的形式，防火涂料的类型、性能要求和试验检测要求；由于防护涂料产品往往没有确定，对防火涂料厚度难以提出具体要求。因此，对钢结构防火涂料设计和检验要求时，应提供等效热阻值，不能只提供耐火时间。

钢结构构件应尽量选择截面形状系数较小的截面，其耐火性能更好，轴向拉压构件温度应力与构件设计承载力之比较大，宜选用高强度钢材。

钢结构的防火隔热保护措施在相应的工作环境下应具有耐久性，并与钢结构的防腐、防锈保护措施相兼容。