钢结构防火设计验算

钢结构本身是不可燃材料，但是钢结构耐火性差，在火灾工况下，钢结构会逐渐变形，结构强度和稳定会迅速下降。最终会导致结构坍塌。因此对钢结构防火设计尤为重要。

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，很多软件已经可以根据规范要求进行钢结构防火验算。  

本文以 3D3s 软件为例探讨钢结构防火设计事项。  

《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017-3.2.6 中，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。  

耐火极限法 也就是构件的模拟实验法。要用设计荷载作用下的构件做实验，得到构件在火灾工况下实际耐火极限不小于规定耐火时限。  

承载力法 以承载力为指标，验算结构是否满足升温下承载力要求。  

在设计耐火极限内，火灾下钢结构构件的承载力设计值不应小于最不利荷载组合效应设计值：  

即： R _d ≥ S _m  

临界温度法 是以温度计算为核心，构件在火灾下最高温度不超过可耐受温度的临界温度。  

在设计耐火极限内，火灾下钢结构构件的最高温度不应高于其临界温度。  

即： T _d ≥ T _m  

3d3s 软件提供了如下两种计算方法。  

 

1.   防火涂料

根据《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017 防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型。一般情况下膨胀型防火涂料为薄涂型防火涂料，其厚度一般在 1mm-7mm 之间。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。非膨胀型即厚涂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。  

根据结构防火要求定义防火材料参数。  

 

2 ．高温下钢材物理参数

• 高温下钢材的物理参数根据《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017-5.1.1 规定如下    

软件中设置如下：  

 

2 ）防火保护材料保护层计算  

对于非膨胀型防火涂料其保护层厚度按 5.3.1 确定：  

 

对于膨胀型防火涂料保护层厚度按 5.3.2 确定：  

根据试验和理论计算对比表明，采用 540 ℃ 时的等效热传导系数，可相当精确地模拟非膨胀型防火涂料保护钢构件在火灾下的升温，并且不同保护层厚度下测得的非膨胀型防火涂料的等效热热传导系数变化很小，因此非膨胀型防火涂料可根据计算提供防火涂料厚度要求。  

火灾下膨胀层厚度主要取决于涂料自身的特性、涂层的厚度 , 受膨胀层自身致密性、强度等的限制 , 膨胀层早度不会一直随着涂层星度的增大而增大 , 而且涂层太厚容易造成膨胀层过早脱落 , 因此膨胀型防火涂料存在最大使用厚度。膨胀型防火涂料涂层厚度和膨胀层厚度、热传导系数之间均为非线性关系。因此 , 膨胀型防火涂料不宜采用等效热传导系数 , 而是采用对应于涂层厚度的等效热阻。  

1. 3. 钢结构温度计算      

1 ）《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017-6.2.1 火灾下无防火保护钢构件的温度按下式计算：  

 

2 ）火灾下有防火保护钢构件的温度可按下式计算：  

 

钢结构温度计算中均考虑截面形状系数，规范中的解释是“构件的防火保材料内表面积 / 体积”，其计算方法如下：  

 

软件中设置如下 :

 

1. 4. 荷载组合      

荷载组合依据《建筑钢结构防火技术规范》 GB51249-2017-3.2.2

 

1. 5. 防火验算      

承载力法根据规范 7.1 节进行计算，临界温度法根据 7.2 节进行计算。