钢结构耐火设计方法综述
摘要：简述了钢结构的特点、耐火设计需要遵守的原则以及具体方法。参考国内外资料，论述了钢结构抗火设计及防火保护。防止钢结构在火灾中迅速升温并发生形变塌落的措施有多种，关键是要根据不同情况采取不同方法。钢结构通常在450～650℃温度中就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用，一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。这一时间的长短还与构件吸热的速度有关。使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。介绍了几种不同钢结构的防火保护措施，为钢结构设计的完整性提供了参考。
关键词：建筑；钢结构；耐火设计；荷载
钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比具有以下特点：（1）钢材材质均匀，可认为为理想的弹性材料，受力状态简单明了；（2）钢材的塑性和韧性好，有利用提高结构的抗震性能；（3）钢结构强度高，自重轻，降低结构的自振周期，减小结构设计内力，降低基础造价；（4）钢结构制作周期短、施工速度快等。
钢结构优点很多，但却有一个致命的缺陷：耐火性能差。结构发生火灾后在很短的时间内就能把建筑物烧毁。文中针对钢材的抗火性能，参考了国内外的资料，总结出了钢结构的抗火设计方法及保护方法，并给出一些建议，为钢结构的设计提供参考。
钢结构建筑的梁、柱、屋架是建筑的骨架，它的安全性直接关系到整幢建筑的安全，它们大都采用钢材，钢材虽然是不燃材料，但其耐火性能很差，随着温度的变化，其力学指标会发生很大的改变，承载力和平衡稳定性会随温度升高而大幅度下降。钢结构在温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降1 /3、1/2、2/3，在高温条件下其内部应力也会发生改变，使钢结构承重体系出现问题，按理论计算，在全负荷下，钢结构失去平衡稳定性的临界温度为500℃，一般火场温度都在800℃－1000℃左右，在这样的高温条件下，无任何保护的钢结构很快就会出现塑性变形，大约15分钟内就会倒塌。
要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。
对于钢结构，无论是构件层次还是整体结构层次的抗火设计，均应满足以下要求：
1。在规定得结构耐火极限时间内，结构的承载力应不小于各种作用所产生的组合效应。
2。在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间应不小于规定得结构耐火极限。
3。火灾下，当结构内温度分布一定时，若记结构达到承载力极限状态时的内部某特征点的温度为临界温度，则临界温度应不小于在耐火极限时间内结构在该特征点处的最高温度。（1）
上述计算方法对于单根构件计算更为适合，对于钢结构性能化防火设计方法，结构火灾作用下的整体力学性能分析是结构抗火设计未来的发展方向。结构整体力学评估一般分析程序如下：
（1）分析建筑功能及消防措施，设计火灾场景。
（2）确定钢结构的极限温度。
（3）通过流体动力学软件计算火灾后的烟气及温度的分布，计算由于火灾导致的钢结构的温度。
（4）建立钢结构空间的三维几何模型，计算热效应引起的钢材强度的降低。采用有限元或者结构力学分析软件计算，荷载可采用火灾状况中的“火灾荷载”。
（5）根据结构安全分析计算结果，确定钢结构的防火方案。（2）
1钢结构抗火的设计方法
钢结构抗火设计的实质是:选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性，满足承载能力的规定。
在实际建筑设计中设计人员在遇到钢结构建筑中对所设计的建筑都做出特别的要求，比如涂刷防锈涂料，防火涂料属于油漆类。（3）基于试验的构件抗火设计是一种简单、直观的方法。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火时间，然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下的标准试验，测定其抗火时间。设计目标为:结构(构件)的抗火时间不小于规范规定的耐火时间。我国《现行建筑设计防火规范》（GBJ16―87）中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。目前建筑物趋于功能复杂，体量大型化。同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大。其次，构件在结构中受力很难模拟，而受力的大小对构件耐火时间的影响很大。最后，构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。鉴于试验的上述缺陷，
结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。我们在设计时，要根据不同建筑对构件耐火极限的要求，通过科学比较，选出最恰当的防火保护方法，达到经济和安全要求。（4）
基于计算的现代方法即用计算的方法代替标准试验的方法，可以免除传统方法中所存在的问题，是钢结构抗火设计发展的方向。目前计算方法有几种:直接按耐火等级选择构件的耐火极限ｔ，求出构件临界温度后Ts，用ｔ、Ts为控制条件求保护层厚度的Ts-ｔ耐火设计方法；用构件的临界温度Ts和当量升温时间Te来确定防火保护层厚度的Ts-Te耐火设计方法。（5）我国的第一部钢结构防火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》（报批稿）中采纳的设计方法，其计算过程如下:
(1)采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
(2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限下的内部温度。
(3)采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
(4)进行荷载组合：S= γGCGGk + ∑γQiCQiQik+γW C W Wk+γfCf(ΔT)。
其中，S为荷载组合效应；Gk为永久荷载标准值；Qik为楼面或屋面活载(不考虑屋面雪载)标准值；Wk为风荷载标准值；△T为构件或结构的温度变化(考虑温度效应)；γG为永久荷载分项系数，取1、0；γQi为楼面或屋面活荷载分项系数，取0．7；γW为风载分项系数，取0或0、3；γf为温度效应的分项系数，取1、0；CG，CQi ，C W，Cf为永久荷载，楼面或屋面活载，风载，温度变化的效应系数。
(5)根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。验算要求为:S≤R式中R为按确定温度条件下的构件的极限承载力。
(6)当设定的防火被覆厚度不合适时(过大或过小)，可调整防火被覆厚度，重复上述(1)～(5)步骤。
基于计算的防火设计方法，优点是：考虑了多个影响因素，从构件的实际工作条件出发，进行耐火设计，从而与实际情况更接近；用保护材料的热物理参数测定法取代了构件的耐火试验，使试验工作简化并大大降低了费用。缺陷是：目前计算方法尚未统一；计算较为复杂，各计算方法之间计算结果差异较大，没有考虑基于整体结构的计算。
2钢结构的防火保护
除了进行基本的抗火设计我们必须考虑可行的防火保护，将两者紧密的结合起来，钢结构的防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。主要方法有以下几种：
由于钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效倒塌，耐火极限仅15分钟，若采取措施，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，钢结构在火灾中就能保持稳定性，对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为两种：截流法和疏导法。（6）
2.1截流法
截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其作法是构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。
2.1.1喷涂法
喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类，薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7m m，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0。5～1。5小时，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0。5～3。0小时，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。
钢结构防火涂料的防火原理有三个：一是涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中。二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。
薄涂型钢结构防火涂料的主要品种有：LB、SG―1、SB―2、SS―1钢结构膨
胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料主要品种有：LG钢结构防火隔热涂料、STI―A、JG276、ST―86、SB―1、SG―2钢结构防火涂料等。
在喷涂钢结构防火涂料时，喷涂的厚度必须达到设计值，节点部位宜适当加厚，当遇有下列情况之一时，涂层内应设置与钢结构相连的钢丝网，以确保涂层牢固。
（1）承受冲去振动的梁
（2）设计层厚度大于40mm寸
（3）粘贴强度小于0。05MPa的涂料
（4）腹板高度大于1。5m的梁
喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢构件的耐火保护。
2.1.2包封法
包封法就是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：
（1）用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，进一步提高其耐火的性能。
（2）用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上术材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。
（3）用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。
（4）用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述预制板包覆构件，板间连接可采用钉合及粘合。这种构造方式施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)与防火(预制板)的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。
2.1.3屏蔽法
屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的
耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。
2.1.4水喷淋法
水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。
由上述可知，这些方法的共同特点是设法减小传到构件的热流量，因而称之为截流法。
2.2疏导法
疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。一览建筑文库该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。
冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。蒸气由排气口排出。当柱高度过大时，可分为几个循环系统，以防止柱底水压过大，为防止锈蚀或水的冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。
3结语
1)现行的抗火设计方法是基于计算的构件设计方法，缺乏基于计算的结构抗火设计。改方法以防止整体结构倒塌为目标时，基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计。即将结构的主要功能作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏，特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。
2)考虑火灾随机性的结构抗火设计方法：结构抗火的概率可靠度设计必须考虑火灾与空气升温的随机性，有待发展。（8）
3)钢结构构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模型研究。该研究是结构抗火设计的核心，工作量也最大。
4)抗火涂料的抗冲击性研究。
5)缺乏火灾荷载分布统计。该项研究是钢结构抗火设计的基础。（9）
防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落，其措施是多种多样的，关键是要根据不同情况采取不同方法，如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结
构，降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。（10）但无论采取何种方法，其原理是一致的。