建筑钢结构防火设计及保护方法研究_庞豹.pdf

158城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04能化防火设计是防火设计的必然发展趋势；宋谦益3在国内有关钢结构防火的有效设计规范方面做了大量的整理总结工作，并结合一些典型结构解释说明其设计方法及防火做法；张若筠4对钢结构的防火抗火设计要点进行总结归纳，分析论述了钢结构防火保护方法，同时指出防火涂料在施工过程中所遇到的问题及解决办法。1 钢结构的发展现状1.1 钢结构抗火设计规范的发展钢结构凭借自己质量小、力学性能优等优良特点，在建筑行业得到很大推崇，发展前景广阔。在高层、超高层及大跨度建筑中钢结构材料的使用显得更为突出。在1998 年之前，世界上高度前十的超高层建筑中，钢结构占72%之多，其中有5栋是全钢结构建筑，另外5栋是钢-混凝土组合结构。现在超高层建筑更偏向于使用钢-混凝土组合结构，现在的上海中心大厦及台湾的 101 大厦都是此组合形式（见图 1、图 2）。我国的学者对钢结构建筑的研究虽然起步比较晚，但近几年国内的钢结构应用技术研究有较好和较快的发展，同时也推动着建筑行业的进步。如北京的国家体育场（见图 3）和国家游泳中心、国家大剧院、浦东国际机场等，以及现在大跨度的工业厂房建筑等采用此种结构形式，均是利用其自重小、易塑形、抵抗塑性变形能力强等特点。钢结构结构性能优越，但同时也有严重的弊端。研究发现，钢结构材料自身不会起火燃烧，但是当火灾来临时其力学性能变得很差，随着周围环境温度的升高，钢结构构件在没有做防火设计的条件下，暴露在自然环境中，会导致钢材的强度的力学性能急速下降。美国纽约州的世贸中心的两座大厦，在 2001 年 9 月 11 日发生的举世震惊的恐怖袭击中受到飞机撞击，两座钢结构大厦分别在撞击后的 56 min 和 103 min 后轰然倒塌（见图 4）。在 4 年之后，同样的悲剧在西班牙的马德里市再次上演，温莎大厦部分楼层发生坍塌；2013 年的 9 月 2 日，温州市一家海绵制品公司的钢结构工厂在一次不规范的操作中引起火灾，大摘要钢结构材料受温度变化影响较大，在火灾发生时，为了钢结构建筑物能够有效地满足设计和使用功能，本文通过对钢材的材料及力学性能进行分析，归纳总结了钢结构的防火设计流程及保护措施。结果表明，钢结构的承载力随温度的增加会迅速降低；钢结构的防火设计方法基于的设计原理主要有两种，钢结构的防火保护措施同样有两种方式，即外包法、内注法。关键词钢结构；防火设计；力学性能；保护措施中图分类号TU391 文献标识码A DOI10.19892/ki.csjz.2023.04.44Abstract Steel structure materials are greatly affected by temperature changes.In order to effectively meet the design and use functions of steel structure buildings in case of fire,through the analysis on steel materials and mechanical properties,this paper summarizes the fire protection design process and protection measures of steel structure.The results show that the bearing capacity of steel structure will decrease rapidly with the increase of temperature.There are mainly two fire protection design methods for steel structures based on the design principles.There are also two fire protection measures for steel structures:outsourcing method and internal injection method.Key words steel structure;fire protection design;mechanical properties;protective measures目前，对钢结构的研究主要集中在工业建筑厂房和高层建筑中的钢管混凝土结构，以及型钢混凝土两种材料组合的混合构件。材料的强度高、质量轻、材料的塑性和韧性好、材料的材质均匀、力学计算的假定比较符合、吸收地震能力强、结构工业化强度高、制作简便、易施工是钢结构建筑的显著优点，因而在建筑行业得到广泛推广。与此同时，钢结构建筑物也会存在对腐蚀性物质敏感、对高温敏感等显著缺点。因此钢结构的防火设计显得尤为重要，程道彬1对水性防火涂料在薄型钢结构中如何进行有效配比及如何高效施工进行了研究，最后得出防火涂料的有效的施工工序，对防火涂料的工作性能有很重要的影响；李焕群2等对多种钢结构防火措施进行总结，对比研究发现，钢结构的性作者简介：庞豹（1994-），男。研究方向：结构工程。作者单位：长江精工钢结构（集团）股份有限公司建筑钢结构防火设计及保护方法研究Research on Fire Protection Design and Protection Method of Building Steel Structure庞 豹 盘红玉Pang Bao,Pan Hongyu159 2023.04/Architectural Design and Theory 建筑设计理论面积厂房着火导致坍塌（见图5）。在多次惨痛的经历过后，也给钢结构建筑行业时刻敲响警钟，钢结构建筑的有效防火设计研究势在必行。1.2 钢结构抗火设计规范的发展对钢结构抗火的研究，开始于 20 世纪中后期，并在20 世纪八九十年代制定出关于钢结构抗火计算的相应规范。其中，英国的钢结构抗火设计规范最为有影响力，2005 年，其被欧洲钢结构抗火设计规范取代，但在 2010年后者也被废止。美国也早在 1974 年成立了火灾研究中心；20 世纪 90年代建立了用于钢结构抗火研究的火灾实验室；“911”事件之后，更是极大地促进了美国关于钢结构抗火设计的研究。2005 年正式给出了钢结构防火设计规范，之后该规范在更新中基本不变。图 2 台北 101 大厦（图片来源：作者自供）图 1 上海中心大厦（图片来源：作者自供）图 3 国家体育场（鸟巢）（图片来源：作者自供）图 5 中国钢结构厂房火灾后倒塌（图片来源：作者自供）（a）着火现场（b）灾后厂房整体倒塌图 4 美国纽约世贸中心大厦倒塌（图片来源：作者自供）（a）受袭击后大火（b）灾后的大厦倒塌160城市建筑 Urbanism and Architecture/2023.04我国在经过多年的积累和研究后，在 2014 年推出了现行的建筑设计防火规范（GB 500162014）5，2017 年住房和城乡建设部批准并实施了建筑钢结构防火技术规范（GB 512492017）6，至此我国钢结构防火设计的研究取得阶段性成果。2 钢材的力学性能随温度变化的分析正常温度下钢材具有较大的强度和较好的弹性，温度达到一定数值后钢材的力学性能显著下降。钢材的典型应力应变曲线图如图 6 所示，从图中可以明显看出，随温度的增加钢材的应力值在不断减小应变增大，钢材的抗拉强度降低。当温度值达到 350 时，钢材的抗拉强度值约降低到原来的 2/3；当温度值上升到500 时，钢材的抗拉强度值已经下降到原来的 1/2；当温度值达到 600 时，钢材的强度值只有原来的 1/3。图 7 为钢结构构件在不同温度下，其承载力变化曲线。从图中可以看出，温度不断增加其承载力在不断下降，当温度达到结构破坏时的临界温度（Tcr），结构的强度和刚度明显衰退，承载力显著降低。当火灾发生时，现场的实时温度会迅速增加，一般温度能达到 8001 000。根据研究发现，钢结构在满荷载的工作状态下，打破其静态稳定不变形能力的极限温度在 500 左右，显然在无防火措施下，钢结构暴露在火灾中，会完全丧失其使用功能。钢材的力学性能与温度之间的变化关系如图 8 所示。从图中可以看出，4 个国家和地区的防火规范的曲线走势基本一致，均为随温度的增加，钢材的弹性模量和屈服强度均降低，其中英国规范（BS 5950）较其他规范，强度值变化较为明显。欧洲标准（EC 3）和美国标准（AISC），较其他标准的弹性模量对温度的变化较为明显。当温度超过 800 时，材料的屈服强度及弹性模量仅为原来值的10%左右。（N/mm2）28024020016012080400 0.10.20.30.40.5（10-2）600 550 500 450 400 350 300 275 250 200 20 承载力 RP0RT温度 T失效安全0Tcr图 6 变温下钢材的典型应力-应变曲线（图片来源：作者自绘）图 7 钢结构承载力随温度变化曲线（图片来源：作者自绘）3 钢结构防火设计3.1 钢结构防火设计方法及流程目前，关于钢结构的防火设计依据主要有两种：一是在整体结构的基础上建立的耐火验算基础理论，另一种是直接在构件上建立的耐火验算基础理论。在钢结构防火设计规范中解释了除大跨结构以外，绝大部分的钢结构构件均可采用在构件基础上的耐火验算设计理论。但基于整体结构的耐火验算暂且无法通过现有的结构设计软件直接进行设计计算，往往需要进行有限元专项仿真模拟分析。基于构件的耐火极限承载力验算步骤过程如图 9 所示。3.2 钢结构防火保护措施钢结构防火保护的基本原理是，采用绝热或者吸热的材料或方式方法来减缓钢结构构件的温度升高和承载力下降的时间。钢结构防火保护措施同时应遵循安全可靠性、经济耐用性等特点，其大致可分为两大类：一是在钢结构构件整个的外表面涂抹、包裹、覆盖上防火材料来减缓热量对钢材的冲击；二是在圆形钢管结构形式的内部注入有效可用液体或混凝土等材料，以达到把热量带走的效果。钢结构的防火保护做法如表 1 所示。表 1 中给出了两类钢材的防火措施做法，一类是外包法，一类是内注法。各种形式的做法、所使用的材料及特点和适用范围等均做了详细说明，在进行防火设计时，在考虑了做法经济、实用、安全、合理后，再针对现场的实际情况选择易于施工、质量有保证的设计方案。4 结论本文通过对钢结构在受火下的力学分析，总结叙述了钢结构的防火设计方法及防火保护措施，得出以下结论。（1）常温下，钢材具有较大的强度和较好的弹性，当温度值达到 600 时，钢材的强度值只有原来的 1/3。161 2023.04/Architectural Design and Theory 建筑设计理论表 1 钢结构防火保护做法分类防火处理类型材质技术性能一类外包混凝土砌体加气混凝土块、黏土砖、水泥砖、珍珠岩水泥砌块、空心砖等导热系数在 0.10.15 W/（m）防火板包覆石膏板、矿棉板、蛭石防火板、水泥板、硅钙板、玻镁板等导热系数为 0.190.35 W/（m），最高使用温度为 6001 100，厚度为 1050 mm复合防火保护防火保温装饰一体板导热系数为 0.190.35 W/（m），最高使用温度可达 6001 100，厚度为 1050 mm涂敷防火涂料超薄涂型防火涂料（CB）涂层厚度小于等于 3 mm，耐火极限 0.51.5 h薄涂型防火涂料（B）涂层厚度达 37 mm，耐火极限为 0.51.5 h厚涂型防火涂料（H）涂层厚度 37 mm，耐火极限 0.51.5 h 密度较小，导热效率低柔性毡状隔热材料包裹岩棉毡、硅酸铝板毡、玻璃棉毡等导热系数小于等于 0.06 W/（m）二类钢管内部注入液体钢管、液体等从钢材吸走热量，降低钢材温度上升速度，延长温度上升至临界温度的时间（2）随温度的增加，钢结构的承载力不断下降，钢结构在满荷载的工作状态下，失去静态平衡稳定能力的临界温度在 500 左右。（3）钢结构的防火设计主要基于整体结构耐火验算设计和结构耐火验算设计，钢结构的防火保护措施主要有外包法和内注法两大类。参考文献1 程道彬薄型钢结构防火涂料配方设计及施工工艺的研究 J涂料技术与文摘，2013，34（10）：10-132 李焕群，李驰原钢结构防火措施的对比研究 J工业建筑，2005（S1）：285-2873 宋谦益建筑钢结构防火设计规范及要点 J建筑结构，2020，50（24）：1-104 张若筠钢结构抗火防火设计要点与防火涂料施工注意事项 J建筑技术，2018，49（08）：894-8965 中 华 人 民 共 和 国 公 安 部 建 筑 设 计 防 火 规 范：GB 500162014S 北京：中国计划出版社，20146 同济大学，中国钢结构协会钢结构防火与防腐分会建筑钢结构防火技术规范：GB 512492017S北京：中国计划出版社，2017图 8 钢材的力学性能随温度变化曲线（图片来源：作者自绘）fy，T/fy1.00.80.60.40.20.0020040060080010001200温度/EC3GB 51249-2017AISCBS5950（a）弹性模量-温度变化曲线ET/E1.00.80.60.40.20.0020040060080010001200温度/EC3GB 51249-2017AISCAS1998（b）屈服强度-温度变化关系图 9 基于构件验算的防火设计方法基本流程（图片来源：作者自绘）是 否 无需防火保护 选取所需验算构件 确定验算构件的荷载作用及受火形式 验算无需保护钢构件的耐受火极限 满足要求 防火措施设计 验算需保护钢构件的耐受火极限 满足要求 确定构件的防火保护措施 设计结束 确定建筑的耐火等级和各类型构件的耐火极限