结构防火分三部分介绍，这是第二篇，主要说钢结构防火相关内容，下篇内容见底部介绍。

接上篇：对于忽如其来的钢结构防火设计，很多结构设计者对其是一头雾水，最常提的问题是：“哪个软件能算钢结构防火？”

某些标题党的文章，“干货来了、一文读懂、一图看懂XXX”，我真做不来。

以下我根据自己的理解，对如何入手钢结构防火计算作介绍，因为一知半解的缘故，介绍可能是极其片面、甚至错误百出的，如果做不到“以吾昏昏，使君昭昭”，也尽量抛砖引玉，给大家个解困的思路。

四、钢结构防火规范

其实这本规范不如叫做“钢结构耐火设计规范”简单明确、好理解。规范的核心根本就不是防火，而是要计算在火灾发生时，特定时限内构件不能失效。

钢结构非常怕火，如果在无保护状态下15分钟就接近500℃，接近丧失承载能力，20分钟后到了600℃，不成样子了。具体我不展开，教材上说的都比我好，所以干脆点，要想满足耐火要求，大部分钢构件需进行防火保护。

1、总的要求

1）耐火等级和耐火时限

上篇文章业已说明，建筑耐火等级根据建筑使用性质由建筑专业确定，耐火时限也可以让建筑专业给出。下面我根据常见的工业厂房给出个主要构件的耐火时限表格，供参考。

工业厂房常见构件耐火时限要求（单位h）

构件名称	建筑防火等级
	一级	二级	三级	四级
防火墙	3.00	3.00	3.00	3.00
楼梯间和前室的墙	2.00	2.00	1.50	1.50
柱、柱撑	3.00	2.50	2.00	0.50
梁	2.00	1.50	1.00	0.50
楼板	1.50	1.00	0.75	0.50
屋面撑、系杆	1.50	1.00	0.50	——
上人屋面	1.50	1.00	——	——
室内楼梯	1.50	1.00	0.75	——
室外楼梯	平台1.00，梯段0.25

补充：

A、个人认为构件重叠时，应采用较高要求确定耐火时限。如：防火墙的承重柱，耐火时限不低于防火墙。

B、四级构件几乎不存在，大部分为一级和二级厂房，在面积不大，火险要求较低的情况下，可与建筑专业沟通，是否能降级减小压力。

C、屋面起系杆及稳定作用的檩条同支撑系杆要求。

2）必要图纸的说明

规范3.1.4明确要求，“钢结构的防火设计文件应注明建筑的耐火等级、构件的设计耐火极限、构件的防火保护措施、防火材料的性能要求及设计指标”。所谓“防火设计文件”指图纸及计算书，因为防火材料可能会随着耐久性问题而更换，必须在图纸上对其做法有所体现。

3）防火保护措施

规范的4.1.2条，防火保护有几个方法或复合使用：a、喷涂（涂抹）防火涂料；b、包覆防火板；c、包覆柔性毡状隔热材料；d、外包混凝土、金属网砂浆后砌筑砌体。最常见的是方法a、b。

涂料保护又分非膨胀涂料和膨胀涂料，因为耐候性的原因一般室外宜采用非膨胀涂料或者环氧类膨胀涂料。涂料也不是万能的，在特定构件上，例如柔性支撑截面极小，附着厚型涂料不可能，用超薄涂料因用料少，膨胀效果也差，故宜采用柔性毡状隔热材料。室内装饰要求高的宜采用包覆防火板材，但应注意连接件不能早于主体构件失效。外包混凝土或砂浆砌体等操作相对复杂，实用较少。

2、设计方法

规范3.2.3条说了两类方法，一是基于整体结构的方法，二是基于构件耐火验算的方法。基于整体结构的方法科学但复杂，适用于大跨结构等大型公建。其它结构可以采用基于构件的方法，本文仅针对此类方法进行介绍。

 

规范3.2.6中有三种基于构件的验算方法，效果是一致的，目的都是R≥S：耐火极限法、承载力法和临界温度法。YJK和3D3S是采用的承载力法；PKPM则采用临界温度法。

1）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，得到构件在火灾下实际耐火极限不小于规定耐火时限。这个没几个能玩得起，要符合构件同等受力条件，只能是先建一栋房子，烧了看看各构件能不能抗得住，抗住了再按这个建正式房，抗不住再建再烧得数据，烧钱就是这个意思吧？

其实防火规范附录中构件就是“简化的耐火极限法”得来的数值，因为其未考虑构件的大小、实际荷载和结果构件间的约束关系，故不宜直接用于具体设计。混凝土结构皮糙肉厚，刚度大，受热承载力损失幅度小，故可近似取表格数值。但钢结构对于温度敏感，受热后承载力与刚度下降幅度大，不能应用表中数值。

2）承载力法，相对简单，以承载力为指标，验算是否满足升温下要求，不复杂结构的可以手算实现，下文主要根据此方法讲解。

3）临界温度法，这种方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。

3、什么构件需要算，算什么

1）构件仅进行承载力计算，无需进行使用状态计算。因为火灾是一种偶然作用，火灾下结构变形远大于常温下变形，塑性变形又释放了温度应力。

2）据3.2.5条，内容我懒得抄写了。

一款的大概意思就是偏心受力构件存在塑性变形和大变形，故不必考虑轴向伸缩引起的轴向应力，也就是所谓的“热膨胀效应”。但对于轴心受力构件的伸缩引起稳定和受力变化明显、且大部分构件均存在于有多余约束的体系中，杆件沿轴向变形带来体系的受力变化，故要考虑热膨胀效应。

二款是要计算火灾下结构温度，升温后的强度和残余弹性模量。

4、几个术语的说明

1）膨胀效应

3.2.5条中所说的热膨胀效应，这里主要是指沿构件长度方向线性变化所引起的应力和约束次应力。

2）截面形状系数

2.2.5条中的F/V（Fi/V）——无（有）防火保护构件的截面形状系数，这个系数在进行构件各类计算中都有参与，规范里给的解释是“构件的防火保材料内表面积/体积”，如果你懂一点热工知识，非常容易联想到节能计算中的“建筑体型系数”概念，即外表面积与体积的比值，规范名词故弄玄虚罢了。下面来几个具体计算说明这玄虚怎么破！

圆截面钢筋：F/V=πd/(πd^2/4)=4/d

矩形钢管：F/V=(2a+2b)/[ab-(a-2t)(b-2t)]=(a+b)/[t(a+b-2t)]

上面不暴露的矩形钢管：

F/V=(a+2b)/[ab-(a-2t)(b-2t)]=(0.5a+b)/[t(a+b-2t)]

看到没有，和规范6.2.1的表9一毛一样。

5、承载力法的具体步骤

授人以渔，我以承载力法为基础，讲讲具体如何进行线性计算。有两个适用范围，计算偏心受力构件及独立拉压构件。

1）导热系数λ和热阻R

λ代表不同材料表面之间的热传导量，λ越小则隔热效果越好；R代表隔热材料阻止热量穿过的能力，R越大则隔热效果越好。

当采用厚型防火涂料时或柔性毡类覆裹时，等效导热系数λi可采用直接输入值（根据定义，此值非材料特性值，应进行计算，此处为估算值），一般情况下厚型涂料为0.10W/（m·℃）左右，柔性毡类可取0.045 W/（m·℃）左右。当采用膨胀性防火涂料时，笔者暂无经验。

2）计算火灾升温Ts

根据前文意思，先搞定构件的体形系数Fi/V，估算保护层厚度di，再搞定综合传热系数α，因为规范bug，无法提供实验达温时间t0，故没法算λi，直接用λ代入。厚型涂料计算中，di不小于15mm，α=λi/di。

根据6.2.3式估算Ts。这里T_s0取20度，t以秒计。这里没有采用6.2.2-1式，因为那个迭代计算过程，离开程序无法实现。注意这公式截止到Tso为止，Ts≤700℃应另起一行。

3）火灾时的材料物理参数

因为知道了Ts，可以套用第5.1节的公式计算钢材强度f_T=η_sTf和弹性模量E_sT=χ_sTEs。这里一点要注意，Ts不大于700℃。

4）荷载取值

任何计算都离不开荷载计算这一步，详见3.2.2条。

S_m=r_0T（S_GK+S_Tk+0.4S_Qk）

这里采用的火灾组合中不含地震作用，耐火等级为一级时r_0T取1.1，其它等级为1.0。活荷载频遇值系数为0.6，风荷载频遇值系数为0.4。在非轴力构件中，也可以借助非地震作用的基本组合除以一个约为1.4折算系数，得到除S_Tk外的其它效应和，再叠加S_TK即可。

据3.2.5条及条文，偏心受力构件可以不考虑热膨胀效应，即效应里可不计入S_TK。压拉构件则需要计算线性热膨胀效应。

独立构件的计算里可以这样考虑

膨胀压力：N_m= E_sT·A·ΔL/L= E_sT·A·α_s·（T_s-20）

膨胀应力：σ_m= E_sT·α_s·（T_s-20）

这里要注意一点，构件应考虑附着保护材料的实际重量。

5）应力计算及验算R_d≥S_m

构件的应力计算看上去复杂，其实就是查表代数过程，熟悉钢结构的很容易搞定，不再赘述。

最后用构件在达到火灾耐火时限时的应力来比较折算抗力，OK!

6、算例

没有算例的介绍都是空谈，下面给出一个独立抗压构件的防火计算过程，两端限位铰接轴压杆。采用了承载力法和（伪）临届温度法两种方法。这个例题仅为了展示计算过程而已，不代表实际工程。

观察可知，以上表格里，承载力法基本符合规范本意；临界温度法因属于轴力构件，涉及火场中的弹性模量改变才能得到热膨胀效应应力，故不能完全执行规范操作，二者计算结论虽不同，但数值接近。原因在下篇中详述。

 

小结：

1、钢结构防火规范编的和抗浮标准有的一拼，其间很多参数前后往复且数值不同，很容易让人误用。

2、构造要求很多，例如各材料厚度、使用环境等，2021年实施的《钢结构防火涂料应用技术规程》比较简洁明了，可参见这本30页的小册子。其它构造、配套底漆等等，可参见《钢结构设计手册》。

3、根据具体计算归纳，钢材应尽量选择截面形状系数较小的截面，其耐受性更好；轴向压拉构件温度应力占有效承载能力的较大比例，宜选用高强度钢。

4、施工过程中的改动，应经设计单位并出具变更单，并报原审图机构或备案机构核准。

5、质检验收发现不满足设计要求时，可经原设计单位核算，满足规范最低要求的可通过验收。

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