钢结构防火设计(上篇)

钢结构设计中的一个重要问题，是防火。相比抗震和抗风，结构师明显低估了防火设计的重要性。

钢材在标准火灾作用下，13min即升温至538摄氏度，钢材强度及弹性模量衰减为60%，一个常规钢结构，如果未考虑防火设计，火灾发生20min，即可引起明显的局部破坏，附加变形和附加应力甚至会进一步导致整体破坏。

另外，从结构的全生命周期来看，火灾发生频率并不低于地震；在火灾作用下，结构延性可能远低于地震作用。我们再回想一下911事件中世贸中心的倒塌过程。

2001年9月11日上午，两架被恐怖分子劫持的民航客机分别撞向美国纽约世界贸易中心1号楼和世界贸易中心2号楼，1号楼燃烧了近1个小时，在10秒钟之内轰然坍塌。约半个小时后，2号楼燃烧了1个半小时不到，也在10秒之内坍塌。

世贸中心在大火中仅坚持了1.0~1.5个小时，即完全倒塌，一个关键原因，就是塔楼中部的钢支撑核心筒，防火性能不足。

2018年4月，中国公安部消防局印发了《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求（试行）》，其中明确规定：

• 承重柱（包括斜撑）、转换梁、结构加强层桁架的耐火极限不应低于4.00h；

• 梁以及与梁结构功能类似构件的耐火极限不应低于3.00h；

• 楼板和屋顶承重构件的耐火极限不应低于2.50h；

• 核心筒外围墙体的耐火极限不应低于3.00h；

鉴于钢结构防火设计的重要性，这篇文章就来简单介绍防火设计，共分为上下两篇，此为第一篇。

防火设计，本质是一个系统工程，主要包括被动防火、主动防火和检测系统。

• 主动防火：是指火灾自动报警系统、自动灭火系统、防排烟系统等，主动防火措施可自动感应火灾并作出回应，无需人工干预。

• 被动防火：是指建筑的防火间距、耐火等级、防火构造、防火材料、防火分区、防烟分隔、安全疏散设施等。

• 探测产品和系统：如温感和烟感探测器、火警自动报警器和火灾报警盘等。

在结构设计中，我们通常采用的防火措施，主要包括外包混凝土、砌筑砌块、防火板、柔性毡状材料、防火涂料。

对钢结构或钢构件来说，最常见的防火材料，就是防火涂料。需要说明的是，防火涂料的作用是在保护物体表面隔离热量，延缓建筑物的破坏倒塌，为人员疏散和灭火、营救争取到宝贵时间。

防火涂料也有它的耐火极限，超过耐火极限以后，涂料会失去隔热效果，被保护的物体温度会迅速升温。

我们知道，防火涂料可分为膨胀型（薄型）和非膨胀型（厚型）。

按涂层厚度，可划分为三类：

• 涂层厚度小于3mm，属于超薄型(代号CB)；

• 厚度为3~7mm，为薄型（代号B）；

• 7~45mm，为非膨胀型（代号H）。

膨胀型防火涂料，主要特点是：重量轻、施工简便、技术成熟，对建筑使用影响最小；但对涂敷的基底和环境条件要求严格；适用耐火极限≤1.5h（或2.0h），对装饰有要求的外露钢结构。

非膨胀型，适用于任何形状、任何部位的钢结构；耐火极限大于2.0h时，规范一般推荐采用非膨胀型。

以下，我们分别介绍这两种防火涂料。

01、非膨胀型防火涂料

非膨胀型防火涂料的防火机理：依靠材料本身的低导热性、高隔热性或不燃性，阻隔热量传递、延缓钢材升温，从而保护钢构件的强度不丧失，最高耐火极限4h。

非膨胀型防火涂料，按基料类型可分为水泥基和石膏基。

• 水泥基是以水泥为胶结基质，以膨胀蛭石或珍珠岩为隔热材料，施工必须刷胶、挂网、分层分道的防火涂料；

水泥基防火涂料采用涂抹或喷涂施工，自重较重，需挂网施工、施工效率低。 施工必须刷底胶且挂网，应分4~7层分道施工。

• 石膏基是以石膏为胶接基质，以膨胀蛭石或聚合物为隔热材料，无需刷胶和挂网，一遍成型的防火涂料；

石膏基防火涂料可直接喷涂，施工便捷，粘结力强，不开裂。施工无需刷胶、挂网，50mm厚一次喷涂成型。

需要注意的是：石膏基涂料的单位面积重量约为水泥基的30%，对结构负荷影响较小。

当采用非膨胀型防火涂料时，耐火极限2h，对应的涂层厚度为22~25mm；耐火极限3h，对应的涂层厚度为28~38mm；耐火极限4h，对应的涂层厚度为38~50mm。

02、膨胀型防火涂料

膨胀型防火涂料的防火机理：在大火中，涂料遇热后树脂粘结剂（或类似物质）溶化并快速发泡膨胀，形成具有耐火隔热和隔绝空气作用的碳化层。在这个过程中，活性物质产生气体可使膨胀层膨胀到原始厚度的50倍以上，以达到耐火隔热的效果。

膨胀层减缓从火焰中产生的热传递至钢材表面，从而延长钢铁的升温时间，最高耐火时限为2h。此处需要注意的是， 薄型涂料防火主要依赖于高温膨胀，设计时应预留膨胀空间。

膨胀型防火涂料分为溶剂型和水基性。

• 溶剂性防火涂料含有有机溶剂，不环保，对人和环境有一定危害。施工过程及施工完成后4h内不得遇水。

• 水性防火涂料在生产、施工过程中用水来稀释，比溶剂性防火涂料环保。但是水性防火涂料的耐水性、耐候性、耐化学酸碱性不及溶剂性防火涂料，所以室外膨胀性防火涂料一般为溶剂性的。水性防火涂料，不能在面漆施工前遇水。

膨胀型防火做法：钢构件——表面处理——防腐底漆——封闭中间漆——防火涂料——防腐面漆。

膨胀型防火涂料必须涂刷防腐面漆，面漆不能过厚过硬而限制涂料膨胀。

03、设计注意事项

• 《建筑工程消防设计审查验收管理暂行规定》第八条：

建设单位依法对建设工程消防设计、施工质量负首要责任。 设计、施工、工程监理、技术服务等单位依法对建设工程消防设计、施工质量负主体责任。 建设、设计、施工、工程监理、技术服务等单位的从业人员依法对建设工程消防设计、施工质量承担相应的个人责任。

• 第十条 设计单位应当履行下列消防设计、施工质量责任和义务：

（一）按照建设工程法律法规和国家工程建设消防技术标准进行设计，编制符合要求的消防设计文件，不得违反国家工程建设消防技术标准强制性条文；
（二） 在设计文件中选用的消防产品和具有防火性能要求的建筑材料、建筑构配件和设备，应当注明规格、性能等技术指标，符合国家规定的标准；
（三）参加建设单位组织的建设工程竣工验收，对建设工程消防设计实施情况签章确认，并对建设工程消防设计质量负责。

一般情况下，在结构设计图纸中应明确防火涂料的类型，涂层厚度；非膨胀型防火涂料宜明确粘结强度、抗压强度和干密度。