钢结构防火设计，结构设计师必须掌握的防火设计知识点

无防火保护的钢材与混凝土材料相比，未采取防火保护措施的钢材在火灾下力学性能大幅退化。当温度达到600°C时，钢材屈服强度只有常温时的50%，当温度达到700°C时，钢材屈服强度只有常温时的20%，而高强度钢材的力学性能则退化更为严重，可见钢材在高温下，其强度和弹性模量快速衰减，钢构件及其组成的结构承载力迅速降低。

钢材另一特性是导热系数大，火灾场景下升温快。未采取防火保护的钢构件，在受火15~20分钟时，就可能达到600°C以上高温，难以达到《建筑设计防火规范》GB50016规定的耐火极限要求。基于钢材自身材料及在高温下的特性，未采取防火保护的钢结构耐火时间通常仅为15~20分钟，钢材在火灾高温下，钢材强度和弹性模量快速衰减，钢构件及钢结构承载力迅速降低，可见防火设计是钢结构设计的重要内容。

主要 钢结构防火设计成规程规范、标准及手册

《钢结构防火涂料应用技术规范》 CECS 24-90
《建筑钢结构防 火技术规范》CECS：2006，
《钢结构防火涂料规范》GB14907-2002，
《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017，
《钢结构防火涂料应用技术规程》 TCECS 24-2020，
《钢结构设计标准》GB50017-2017
《钢结构防火涂料规范》GB14907-2018、
《构件用防火保护材料快速升温耐火试验方法》GA/T714-2007、
《石油化工钢结构防火保护技术规范》SH3137-2013
《石油化工企业设计防火标准》GB50160-2008（2018版）
《建筑构件耐火试验 可供选择和附加的试验程序》GB/T 26784-2011
《建筑设计防火规范》 GB50016-2014（2018年版） 
《钢结构通用规范》GB55006-2021
《建筑防火通用规范》 GB55037-2022以及各版本的《钢结构设计手册》

（一）影响钢构件耐火极限时间的主要因素

影响钢构件耐火极限时间的主要因素有二个，分别是构件的荷载比、 构件的截面形状系数。

（1）钢构件的荷载比是影响构件耐火极限时间的主要因素之一。显然，当 钢构件的荷载比为0时，火灾下钢构件不会出现破坏，高温熔化除外；当钢构件的荷载比接近1时，温度较低的时候，钢构件就会出现破坏。因此，钢结构抗火设计应考虑钢构件的实际受力情况即钢构件的荷载比。

（2）钢构件的截面形状系数是影响构件耐极限火时间的另一主要因素。钢 构件的截面形状系数为指的是钢构件截面周长与截面面积之比，表征了钢构件的厚实程度。显然，钢构件的钢板越薄，钢构件的截面形状系数越大，火灾下升温越快，耐火极限时间越小。

（二）GB51249-2017实施前的常用设计方法及其问题
        在GB51249-2017实施之前，钢结构防火设计主要根据防火涂料检测报告（按照《钢结构防火涂料规范》GB14907测试）进行设计。根据检测报告中提供的涂抹了多少厚度如30mm的防火涂料，钢构件耐火试验测试得到的耐火极限时间为2小时，则在防火设计时，对于耐火极限要求2小时的构件，其防火涂料保护层厚度均直接取该厚度如30mm。
       上述耐火时间试验是指在标准升温火焰下，具有防火保护的标准截面的简支梁构件（HN400*200或 GB14907 规定采用的I36b、I40b），在指定的荷载比作用下，从受火到失去稳定的时间。防火设计方法是指正常荷载作用下的简支标准构件，在标准火焰升温耐火试验中，达到满足耐火极限要求所需的防火涂料的涂层厚度。GB51249-2017实施前的常用设计方法及其问题实际上，构件耐火能力受到承载水平（荷载比R ）和截面特性（形状系数）的影响。从防火试验来看，由于不是采用实际构件及其实际约束、实际火焰和实际截面，不是进行真实的耐火试验。可见标准防火试验无法反应实际结构构件及其约束作用，实际荷载比和构件形状系数对耐火能力的影响，影响满足耐火极限要求所需防火涂层设计厚度的准确性。上述设计方法由于未采用实际钢构件的实际约束及其荷载比、实际钢构件的截面形状系数，是一种偏于定性的设计方法，存在一定的问题，可能造成不安全或不经济。在基于结构计算抗火设计方法实施之前，耐火时间抗火设计法简单实用，经历了大量的工程实践，这是以往采用耐火时间抗火设计的原因。

（三）GB51249-2017实施后的设计方法及其基本知识
      在《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017执行以来，据该规范第3.2.6条钢结构防火设计方法有三种，分别是耐火极限法、承载力法、临界温度法。耐火极限法（tm≥td）中的钢结构构件的实际耐火极限tm可通过耐火验算或耐火试验确定，当耐火验算得出的防火涂层厚度数据与耐火试验数据不一致时，应以两者中数据最大值为准。构件抗火能力试验（即钢构件实际耐火试验）依据《建筑构件耐火试验方法》GB/T 9978.1-2008进行防火试验并确定实际耐火极限tm ，构件抗火需求（设计耐火极限td ）依据统计结果，可查《建筑防火设计规范》GB50016-2014，防火涂料要求及选型可见《钢结构防火涂料》 GB14907-2018、 《钢结构防火涂料应用技术规程》 TCECS 24-2020 。

       结构承载力法和临界温度法（这二种方法广义上都是性能设计）可见《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017。结构承载力法是一种基于结构计算的抗火设计方法，抗火能力及抗火需求均基于结构承载力，要求结构耐火承载力Rd不小于结构火荷载组合效应Sm ，以满足耐火极限需求。临界温度法也是一种基于结构计算的抗火设计方法，要求钢结构构件最高温度不高于临界温度，即Td≥Tm，以满足耐火极限需求。为便于结构承载力法和临界温度法的钢结构防火设计， GB51249采用了等同于火灾下的钢结构设计方法，这样计算公式及参数可以采用《钢标》的表达形式

     在《钢结构通用规范》 GB 55006-2021 第6.3.3条及《建筑防火通用规范》 GB55037- 2022第5.1.4条明确了钢结构的防火设计可采用基于耐火试验的耐火极限法（火灾下钢结构构件的实际耐火极限td 不应小于其设计耐火极限tm ） 。实际上耐火极限法可通过耐火验算（试验+计算）或耐火试验（试验+数值模拟分析）二种方法确定（ 《建筑防火通用规范》GB55037-2022第5.1.4条）。耐火极限法的耐火试验是用设计荷载作用下的构件进行模拟试验，对于实际工程构件的实际荷载、约束及构件截面多种时将费时费力费财且受到试验条件限制（柱高4~6m常用截面均可、柱压力500t可下端固端上端或二端简支，梁跨4~6m常用截面均可、集中荷载200t可二端固端或简支），而规范第3.2.6条第1款所指的按规范有关规定计算，即耐火验算应为指在构件防火设计时，可采用承载力法或临界温度法进行耐火验算。

      结构承载力法和临界温度法是建立在所有数据都可靠前提下的抗火设计方法，但抗火计算本身较粗略复杂，也存在不少假定，防火涂料的主要参数来自于试验和统计，受试验手段和财力物力的限制，现阶段还比较难以做到精准设计。所以基于《钢结构通用规范》 GB 55006-2021 的精神，耐火极限法（耐火试验）、结构承载力法和临界温度法实际上一致，可同时供设计人员选用，这也是各国家和地区通常采用的方法。《建筑钢结构防火技术规范》第3.2.1条为强条（2023年6月1日执行的《建筑防火通用规范》GB55037-2022已把GB51249-2017的3.1.1、3.1.2.、3.1.3、3.2.1共4条强条全部废止）为规避该强条，设计人员和审图单位的审查人员需要抗火计算书时，常用的钢框架结构可采用PKPM （承载力法） 、YJK软件（承载力法）、3D3S （承载力法、临界温度法）补充计算。可见，现阶段钢结构防火设计主要采用基于结构计算抗火设计方法的承载力法和临界温度法。

（四）GB51249-2017的抗火设计方法与计算流程

1、关于荷载组合

根据GB51249第3.2.3条，绝大多数钢结构不需要采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法。GB51249第3.2.5条条文，对于受弯构件、拉弯构件和压弯构件等以弯曲变形为主的构件，可不考虑热膨胀效应，且火灾下构件的边界约束和在外荷载作用下产生的内力可采用常温下的边界约束和内力，计算构件在火灾下的组合效应。对于轴向受拉、受压等以轴向变形为主的构件，应考虑热膨胀效应对内力的影响。对于梁、柱等弯曲变形为主的构件，可以取恒载、楼（屋）面活荷载、风荷载的标准值进行火灾情况下的荷载组合。而对于拉索、支撑等轴向变形为主的构件，应取恒载、楼（屋）面活荷载、风荷载、温度作用的标准值进行荷载组合。

 综上所述，可极大简化钢框架等结构的抗火设计。按GB51249第3.2.2条进行抗火荷载组合时，可忽略温度内力项，直接采用常温下的各工况（恒、活、风）的内力，考虑抗火分项系数进行组合。对此，现有的设计软件，均可满足使用要求。

2、等效热传导系数λi、防火保护层的等效热阻Ri非膨胀型防火涂料的等效热传导系数λi（W/m.℃）：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1㎡面积传递的热量。热传导系数是材料的自身性能。膨胀型防火涂料保护层的等效热阻Ri （㎡.℃ /W ） ：防火保护层对热传导的阻碍能力。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，反映阻止热量传递能力。

（四）GB51249-2017的抗火设计方法与计算流程

（五）钢结构防火设计方法应用的注意事项

1. 一般情况下涂料厂家不提供防火涂料的密度?i和比热ci，仅提供非膨胀型涂料导热系数λ膨胀型涂料或等效热阻R及其对应的厚度，建议采用临界温度法计算。但临界温度法适用于荷载比在0.3~0.9之间，如荷载比小于0.3、大于0.9时，临界温度法计算结果与结构承载力法差别较大，此时应用结构承载力法计算。

2.《钢标》（第18.3节）适用于常温下的钢结构设计和长期持续高温的钢结构设计， 《建筑钢结构防火技术规范》 是短时间（耐火极限时间）高温下的钢结构设计。

3.采用结构承载力法进行抗火设计时，应注意目前大部分计算软件仅适用于框架结构和标准升温曲线产生的轰燃环境，对于一些高大空间结构比如体育场馆的钢桁架、网壳网架等不适用，体育场馆等应采用高大空间建筑升温曲线。对于防火涂料在计算中采用的参数应在防火设计说明中注明，并要求设计计算采用的防火涂料热阻（或等效热传导系数）和厚度不低于试验数据。

4.按GB51249-2017第4.1.3条规定，设计耐火极限大于1.5h的构件，不宜选用膨胀型防火涂料；非膨胀型防火涂料涂层的厚度不应小于10mm（防火规范 是15mm）。

《建筑钢结构防火技术 规范》 CECS ： 2006

（六）钢结构防火涂料主要参数、施工加网及选用原则

1、钢结构防火涂料的分类及其特点

膨胀型防火涂料以高分子材料为主。随着时间的延长，这些有机材料可能发生分解、讲 解、溶出等不可逆反应，使涂料老化失效，出现粉化、脱落或膨胀性能下降。故对膨胀型 防火涂料的使用范围给予一定限制，但环氧类膨胀型钢结构防火涂料 由于具有优良的粘结性能、耐候性能及防火性能，因此对使用场所限制给予放宽。 非膨胀型防火涂料寿命比膨胀型防火涂料长，且其使用环境越好，使用寿命越长。但 非膨胀型防火涂料厚度太小时，施工难度大，难以保证施工质量，故规定最小厚度不小于 10mm。

2、钢结构防火涂料主要参数

非膨胀型防火涂料的等效热传导系数与材料成分有关，基本恒定，物理化学性能稳定， 使用寿命长。膨胀型防火涂料耐久性能较差，性能衰减明显，其等效热阻与涂层厚度有关，需给出最大使用厚度、最小使用厚度及最大使用厚度与最小使用厚度差值1/4递增的等效热。结构承载力法和临界温度法计算中的防火涂料参数如非膨胀型防火涂料等效热传导系数及膨胀型防火涂料等效热阻和厚度应由生产厂家提供（主要是t0钢试件的平均温度达到540°c的时间，与试验有关）。防火涂料的选用需注意涂料高粘结性（与钢材不分层不脱落的强粘结能力即粘结系数，由粘结强度试验提供）和大变形性（与钢材变形协调一致的变形能力即形变系数，由干密度试验提供），粘结度δ反应的是涂料粘结能力指标，越大越好；形变度Υ反应的是涂料变形能力指标，越大越好；导热系数λ越小隔热效果也好，热阻R越大隔热能力越强。环氧类钢结构防火涂料（以环氧树脂为成膜物质）具有优良的粘结性能、耐候性能及防火性能。

3、防火涂料选用原则

选用钢结构防火涂料时，应考虑结构类型、耐火极限要求、工作环境等，选用原则如下：
（1）、设计耐火极限大于1.5h的全钢结构建筑和钢构件宜选用非膨胀型钢结构防火涂料（ 石膏基）或环氧类膨胀型钢结构防火涂料（水性）；
（2）、除钢管混凝土柱外，设计耐火极限大于2h的钢构件应选用非膨胀型钢结构防火涂料 或环氧类膨胀型钢结构防火涂料；钢管混凝土柱，设计耐火极限大于2h的钢构件可选用非 膨胀型钢结构防火涂料或膨胀型钢结构防火涂料；
（3）、室内隐蔽钢结构应选用非膨胀型钢结构防火涂料或环氧类膨胀型钢结构防火涂料；
（4）、不要把技术性能仅能满足室内的涂料用于室外、露天、海洋工程及石化工程。 室外使用环境要比室内严酷得多，涂料在室外要经受日晒雨淋．风吹冰冻，应选用耐水、 耐冻融、耐老化、强度高的防火涂料如室外非膨胀（水泥基）或室外环氧类膨胀型钢结构 防火涂料（油性）。
（5）、 不要轻易把饰面型防火涂料选用于保护钢结构。

     防火涂料可分为钢结构防火涂料、饰面型防火涂料、电缆防火涂料、混凝土防火涂料。钢结构防火涂料按作用场所分为室内防火涂料和室外防火涂料；按涂层厚度分为厚涂型防火涂料、波涂型防火涂料和超薄型防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料 厚涂型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8毫米～50毫米的涂料，这类防火涂料的耐火极限可达0.5小时～3小时。薄涂型钢结构防火涂料 涂层厚度在3毫米～7毫米的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。超薄型钢结构防火涂料 防火涂层厚度在3mm以下，一般使用在耐火极限要求在2h以内的建筑钢结构上。防火涂料施工四种方法：喷涂、辊涂、刷涂和刮涂。喷涂：使用压缩空气直喷使涂料雾化的施工方法，特点是涂层均匀，效率高。缺点是涂料耗损。

六、钢结构防火设计常见问题

1. GB51249-2017第3.2.1条强调的是耐火验算还是验算原则？

2. 网架、桁架结构的防火保护层计算结果很大？桁架需要分弦杆、腹杆吗（高大空间结 构）；变截面构件如何计算？

3. 荷载组合一般考虑地震作用组合吗？不考虑地震作用组合，仅考虑恒、活、风、温度 （轴力构件）且荷载分项系数不同于常温下结构设计。

4. 预应力钢结构如何考虑防火设计？（300℃高温下出现徐变和预应力松弛，引起内力重 分布，导致整体结构破坏，预应力度越高耐火性越差）

5.重要构件如转换梁、加强层桁架需要乘以重要性系数吗？（结构重要性系数γ0T，耐火等 级分类）

6、防火保护层厚度相同、截面面积相同的构件，构件受力越大，耐火极限越短？（分截 面形状系数）

7、耐火极限确定后，当设计厚度和型式检（试验）验报告载明的厚度不一致时，应如何 处理？（将报告载明的厚度作为能够满足钢结构防火需求的防火涂层厚度）。