钢结构防火设计怎么算？

? 引言

由于钢结构设计经验的不断成熟，钢材成本的不断降低，已经成为建筑结构中重要的材料之一，钢材本身属于不可燃材料，但是其耐火性比较差，在高温下，会逐渐变形，材料强度和稳定性迅速下降，造成结构坍塌，所以需要对钢结构建筑进行防火设计，以延迟在突发火灾下钢结构房屋失去稳定而倒塌的时间。

随着《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017的发布，钢结构防火设计越来越受到设计重视。很多图审要求提供钢结构防火计算书。

下文将结合pkpm程序，针对钢结构防火设计的概念与操作流程进行介绍。

? 防火材料

程序允许设置防火材料为膨胀型和非膨胀型，市面上称膨胀型为薄型防火材料，非膨胀型为厚型防火材料。

膨胀型防火涂料的厚度一般在1mm-7mm之间（厚度小于3mm时，也称超薄型防火涂料）。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。遇火后自身发泡膨胀，形成比原涂料厚度十倍左右的多孔碳质层。多孔碳质层可阻挡外部热源对基材的传热。耐火极限可达0.5小时-2小时。

非膨胀型即厚型防火涂料厚度一般在7mm-50mm范围。该类防火涂料基料大都是无机物，成本低廉，自身就具备良好的隔热性，耐火极限可达0.5小时~3小时以上。

? 规范方法以及程序实现

根据《建筑钢结构防火技术规范》，对防火设计提出了三种方法：耐火极限法、承载力法和临界温度法。

目前程序支持的设计方法为临界温度法，根据《建筑钢结构防火技术规范》的要求，建立力学模型，进行火灾中承载力极限状态的抗火设计。

设计流程为：

1. 先计算钢构件在无防火涂料情况下，在火灾持续时间的钢构件内部温度Ts

计算依据见《建筑钢结构防火技术规范》6.2.1公式：

2.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，分别计算钢梁、钢柱的荷载比。根据钢构件的受力类型按照轴心受拉、轴心受压、偏心受拉、偏心受压分别计算构件截面的强度荷载比R和稳定荷载比R’，荷载比的计算详见《建筑钢结构防火技术规范》7.2.1、7.2.2、7.2.3、7.2.4、7.2.5文中不再具体罗列。

以受弯构件为例示意说明：

3. 通过《建筑钢结构防火技术规范》7.2查表得到临界温度Td。

同样以受弯构件的临界温度表格为例：

结构钢构件和耐火钢构件需要在程序的参数定义中根据实际情况去指定，如下图所示：

需要注意的是，通过查表我们可以知道荷载比的上限和下限分别为0.9和0.3，如果验算得到的构件荷载比超出表格的上限，则程序不再验算防火涂料的保护层厚度，如下图所示：

得到临界温度Td之后，程序会先判断无防火涂料厚度下的钢构件的内部温度Ts是否小于临界温度Td，如果小于临界温度Td，则钢构件不需要设置防火涂料。如果Ts＞Td，按照考虑防火涂料的情况重新计算钢构件的内部温度Ts。

假定有防火材料，计算钢构件在火灾持续时间条件下的内部温度Ts，认定Ts为火灾持续时间下的最高温度，计算依据《建筑钢结构防火技术规范》6.2.3公式计算得到：

根据荷载规范3.2.6，撞击、爆炸、火灾事故的发生，均采用偶然组合进行设计，程序工况组合均采用偶然组合

以下图钢柱的构件信息为例：

验算强度的工况组合为3号，查找可知对应的组合是1.0D 0.5L-0.4WX

校核可知其组合内力如下：

N=1.0D 0.5L-0.4WX=-1264.21 0.5*（-763.4）-0.4*（-9.97）=-1641.922

Mx=1.0D 0.5L-0.4WX=5.31-0.5（3.43）=7.025

My=1.0D 0.5L-0.4WX=1.05 0.5（0.69）-0.4*（-29.22）=13.083

根据《钢结构防火技术规范》GB512497.2.5-1公式

计算强度应力比如下：

0.85为净截面面积与毛截面面积的比值，按照参数设定只考虑：

4. 计算涂料厚度时候，可用临界温度Td替换钢构件的内部温度Ts，火灾持续时间t用耐火极限替代，则可得到综合热传递系数α，因综合热传递系数

可以得到需要的防火材料厚度di。查看构件信息可以看到防火验算时候的荷载比，防火涂料的涂料厚度以及防火涂料的等效热阻，如下图所示：

钢柱结果：

钢梁结果：

需要注意的是，构件信息输出的Ts为未考虑防火涂料的钢构件在耐火极限下的最高温度，Td为临界温度，Ri为等效热阻，di为非膨胀型防火涂料的保护层厚度，单位是m

目前程序只考虑了非膨胀型防火涂料厚度的计算。

《建筑钢结构防火技术规范》5.3.2：“膨胀型防火涂料保护层的等效热阻，可根据标准耐火实验得到的钢构件实测升温曲线按下式计算：

《建筑钢结构防火技术规范》5.3.3：“膨胀型防火涂料应给出最大使用厚度、最小使用厚度的等效热阻以及防火涂料使用厚度按最大使用厚度与最小使用厚度之差的1/4递增的等效热阻，其他厚度下的等效热阻可采用线性插值方法确定”

《建筑钢结构防火技术规范》5.3.2和5.3.3条文说明：“针对膨胀型防火材料的特点，第5.3.3条规定膨胀型防火涂料应给出5个使用厚度的等效热阻”

《钢结构设计手册》18.1.3章节钢结构防火保护措施中，也明确提到：“膨胀型防火涂料的保护层厚度必须以实际构件的耐火试验确定”

膨胀型防火涂料的涂料保护层厚度的计算需要基于实测的升温曲线去计算，各个厂家的实测曲线并不相同，所以程序目前无法计算膨胀型防火涂料的厚度。

? 总结

钢材虽然不会自身燃烧，但是钢材耐火性很差，随着温度升高，钢结构构件强度会逐渐下降，当温度达到350℃，其强度大约会降低1/3；温度达到600℃，强度大约降低2/3。这是因为钢材内部在温度升高时会出现质变，导致原有的材料屈服强度，弹性模量等物理特性下降。当火灾发生时，钢结构建筑必然会发生变形，一般情况下15分钟后将会出现坍塌，所以钢结构防火涂料的喷涂就显得尤为重要，需要在设计阶段加强对钢结构构件的防火措施的考虑。