结构丨钢结构防火设计过程梳理

钢结构防火设计过程梳理

张利军

钢结构防火设计很重要。但一直以来，我们对防火设计投入的时间和精力与力学分析是没法比的。大多数工程仅是在设计总说明中对钢构件的耐火极限、涂料性能、施工操作等提一些原则性的要求，类似下图：

 

其实，上述说明不能算作防火设计。比如，对耐火极限至关重要的涂层厚度并没有明确，而是交由涂料厂家或防火专项设计去完成，搞不好就是一种放任的状态。

尽管在《建筑钢结构防火技术规范》CECS200：2006中就有抗火承载力极限状态验算的要求，但因计算复杂，不借助软件是无法完成的；加之结构工程师对工程热物理不熟悉，所以该规范并没有被很好执行。随着国标《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017的颁布，PKPM和盈建科增加了耐火验算功能，且审图机构要求提供耐火验算结果，所以按耐火承载力极限状态进行防火设计已经成了钢结构设计的重要内容。

耐火验算的基础是工程热物理，这对于大多数结构工程师来说是陌生的。要想在短时间内准确理解规范、正确使用软件并不容易，甚至想理出个头绪都是很难的。所以，本文对《钢结构防火规范》的基本脉络进行梳理，希望能帮助初学者理解设计原理，正确选用计算参数，借助设计程序完成耐火验算和防火设计。

一、 耐火验算和防火设计涉及到的三个方面

要做耐火验算和防火设计，就要对火的燃烧进程、钢材强度与温度的关系、防火保护层的属性这三方面进行定量描述。 下文提及的公式均见《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017 ，本文不再列出。

1. 火的燃烧进程的描述：

火是主因，相当于荷载。规范用热烟气的平均温度与火灾持续时间的关系曲线进行描述，即火灾升温曲线，分为标准升温曲线和烃类升温曲线。

烃类升温曲线用于石油、化工类建筑，标准升温曲线用于除石油、化工类以外的建筑。如下图：

2. 钢材在热烟气笼罩下的性能描述：

分为两个方面：

（1） 钢材强度与温度的关系，用公式（5.1.2）表示。

（2） 在热烟气的作用下，钢材升温与火灾持续时间的关系，用公式（6.2.1-1、6.2.2-1）表示。公式中的参数有钢材的密度、比热容、热传递系数、截面形状系数（受火表面积和体积之比）等。除截面形状系数外，其它参数均为常数，见表5.1.1。

3. 防火保护层的分类及其属性的描述：

防火保护层的种类较多，属性也有较大的差别。

有的防火保护层质量较轻，相对于钢构件来说，其自身吸收的热量可忽略。这种防火保护层称为轻质保护层。如，非膨胀型防火涂料、膨胀型防火涂料、蛭石防火板、硅酸钙防火板、硅酸铝纤维毡等。

有的防火保护层自身所吸收的热量必须加以考虑，这种防火保护层称为非轻质保护层。如，混凝土、金属网抹砂浆、砌体等。

分类如下图。棕色部分即为我们最常用最熟悉的防火涂料。

防火保护层的属性用 “综合热传递系数 ” 来描述，见公式（6.2.2）。

与防火保护层的密度、比热容和等效热传导系数、涂层厚度等参数有关。除涂层厚度外，其它参数均是材料的自身性能，同种材料为常数。

防火涂料属于轻质保护层，可忽略密度和比热容的影响。也就是说，密度和比热容的取值对计算结果没有影响。

二、 耐火验算和防火设计用到的参数和术语

密度和热膨胀系数比较熟悉，这里略去。

    1.   比热容 ，简称比热，含义是指“ 每kg物质当温度升高1℃时所需的热量 ”。反应了这种物质的蓄热能力，单位是焦耳每千克每摄氏度， J?kg ?℃。

比热容是材料的自身性能。钢材的比热容为600，非膨胀防火涂料的比热容为1000。

    2.   热传导系数 ，也叫导热系数，含义是指“ 在稳定传热条件下，1m厚的材料、两侧表面的温差为1℃，在1小时内通过1m ² 面积传递的热量 ”，单位为 。

热传导系数也是材料的自身性能。钢材的热传导系数为45，非膨胀防火涂料的热传导系数为0.1。

    3.   等效热阻 ，是耐火验算和防火设计所要求得的数据。有了等效热阻值，就可以确定防火涂料的厚度。等效热阻不是材料的性能，而是已知厚度的保护层的阻热能力，可与电阻类比。等效热阻的单位是 ，表示1W热流量所引起的温升大小。

三、 耐火验算和防火设计的基本过程

以临界温度法为例，该过程可以用下图比较直观地表达出来。

水平轴表示钢材温度，正向竖轴表示钢材强度，负向竖轴表示火灾持续时间。

1. 由软件对整体结构进行计算，得到火灾工况下各构件的应力组合设计值 ，即图中正向竖轴上的A点。该点代表火灾中钢构件能够承受的最大应力。

2. 过A点作横轴的平行线，与图中紫色曲线“钢材强度与温度关系曲线”相较于B点。B点在横轴上对应的点C，即是该构件允许达到的最高温度，即临界温度Td。

3. 在负向竖轴上标出耐火极限对应的E点，过E点作横轴的平行线，与BC延长线交于D点，该点表示该构件所需的等效热阻的最小值。

4. 连接坐标原点O和点D，可得到该直线的斜率为 ，则可求得该构件所需的等效热阻为：

5. 由等效热阻值确定涂层厚度：

（1） 对于非膨胀型防火涂料，涂层厚度 ；

（2） 对于膨胀型防火涂料，因涂层厚度与膨胀层厚度和等效热传导系数均为非线性关系，也就是说，等效热传导系数不是常数。所以不宜用等效热传导系数计算涂层厚度，而是根据厂家提供的涂层厚度与等效热阻的对应关系确定。厂家应提供下表所示的涂层厚度与等效热阻对应关系，其它厚度的等效热阻可线性插值。

涂层厚度
等效热阻

四、 防火设计应提交的内容：

1. 注明防火涂料的选型，膨胀型还是非膨胀型。

2. 对于膨胀型防火涂料（薄型），只需注明等效热阻值即可。涂层厚度不应小于1.5mm。

3. 对于非膨胀型防火涂料（厚型），应注明等效热阻、等效热传导系数和涂层厚度。厚度不应小于15mm。当等效热传导系数不同时，可按等效热阻相等的原则进行换算。

4. 注明防火涂料和防腐涂料的施工顺序。

对于膨胀型防火涂料，施工顺序为：防腐底漆、防腐中间漆、防火涂料、防腐面漆。

对于非膨胀型防火涂料，取消防腐面漆。

5. 其他事项可参照第一张图片。