谈建筑钢结构中的防火设计

2012-11-05郭可

山西建筑 2012年34期

郭可

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

0 引言

众所周知，建筑钢结构具有自重轻、强度高、韧性好、工期短、施工污染小等自身优点。近年来，随着我国国民经济迅速发展，钢材总产量大幅提高，建筑业对现代建筑提出了越来越广、越来越高的设计要求，钢结构得到了越来越广泛的应用。

然而，钢结构构件耐火极限低，耐火性能差。与其具有的优点相比，其缺点同样明显。钢结构设计中，结构工程师往往仅关注于钢材的受力优势，而忽视了防火的相关设计，给建筑物在实际使用过程中带来了安全隐患。近年来，美国“9·11”以及央视新址等火灾事件已经给建筑钢结构的设计敲响了警钟。

1 建筑钢结构防火设计的必要性

钢材通常在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，结果不能继续使用。一般不加保护的钢构件的耐火极限仅为15 min左右。采取有效的防火保护，可减轻火灾对钢结构的破坏，延迟钢结构达到临界温度的过程，为人员疏散和消防灭火争取了宝贵时间，很大程度避免了人员伤亡和财产损失。

建筑钢结构设计中，结构工程师常常忽视防火设计，随意套用几个设计说明，不能做到下功夫去了解防护原理和措施，没有认识到钢结构防火设计的重要性，这样做的结果将大大降低结构设计的安全性和可靠性。GB 50017-2003钢结构设计规范已明确对防护和隔热提出了要求。结构工程师应严格遵照规范的相关规定，做好建筑钢结构的防火设计。

2 建筑钢结构防火保护措施

要做好钢结构的防火设计，首先应当了解目前较为常用的钢结构防火方法，从而在设计中做到措施得当，心中有数。钢结构的防火措施多种多样，要根据防护部位、建筑要求、防护材料可靠性以及施工成本等因素采取不同方法，总体来说可将防火方法归为喷射防火涂料法、外包耐火保护层法、屏蔽法及水喷淋法等方式。

喷涂防火涂料施工简便，且不受几何形状及部位的限制，应用最为广泛。据统计，防火涂料在90%的钢结构工程中发挥着重要作用。外包耐火保护层法通常采用混凝土、防火板等材料作为耐火保护层，受到钢材几何形状及部位等因素的影响，且占用了较多的建筑室内空间，因此外包法应用范围受到很大限制。

屏蔽法通常用于钢屋盖的防火，通过屋盖下的耐火吊顶来延缓下部火灾造成钢屋盖的升温。水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水网，火灾中，自动启动喷水至钢构件表面，阻隔火灾带来的升温，该法作为建筑防火的辅助措施由设备工程师确定，并与其他防火方法共同起到防火保护的作用。现将这些方法列表见表1，以供设计参考。

表1 各种防火措施的特点比较

这些方法形式虽然不同，但其工作原理一致，就是要截断和阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，使钢构件在规定时间内升温不超过临界温度，从而起到防护的作用。

3 建筑钢结构防火设计

针对目前建筑钢结构防火绝大多数以喷涂防火涂料为主，本文主要研究防火涂料的设计。

3．1 钢构件耐火极限的确定

建筑师应根据建筑物功能、重要性、类别、层数及建筑部位等因素确定建筑物的耐火等级。结构工程师根据建筑物的耐火等级，依据《建筑设计防火规范》《高层民用建筑设计防火规范》确定钢构件的耐火时限。建筑物耐火等级所要求的承重钢构件耐火时限见表2。

表2 钢构件的耐火时限 h

3．2 防火涂料的选择

钢结构防火涂料根据涂层的厚度可分为超薄型、薄型和厚涂型三种，结构设计师可会同建筑师根据耐火极限、适用部位以及装饰要求等依照表3确定涂料的种类。

表3 防火涂料的类别

3．3 涂层厚度的选择

防火涂料是依靠涂层的厚度来保证规定的耐火极限的。依据CECS 24∶90钢结构防火涂料应用技术规范，涂层的厚度可按以下方法确定:

1)直接选择有代表性的型钢作防火涂料耐火试验，根据实测的耐火极限确定待喷涂层的厚度。本法适用于所有类型的防火涂料。2)根据标准件防火涂料耐火试验数据，倒算出不同规格钢构件的同种防火涂料涂层的厚度。本法适用于厚型防火涂料。倒算公式如下:

其中，T1为待喷防火涂层的厚度，mm;T2为标准件达到规定耐火极限时的耐火试验涂层厚度，mm;W1为待喷钢材的质量，kg/m;W2为耐火试验中标准件钢材的质量，kg/m;D1为待喷型钢防火涂层接触面周长，mm;D2为标准件型钢防火涂层接触面周长，mm;K 为系数，钢梁取1，钢柱取1．25。

其中 W1/D1≥22，T1≥9 mm，耐火极限不小于1 h。

举例说明:某钢结构建筑耐火等级一级，其中某根钢梁断面为H500×200×10×16，拟选用厚型防火涂料防火，现要求确定其涂层厚度(标准件断面HM300×200，耐火极限达到2 h，耐火试验中选用的厚型防火涂料涂层厚度为10 mm)。

首先可以根据上述信息，依据表2，确定待喷钢梁的耐火极限为2 h。W1=89．6 kg/m，D1=1 780 mm，W2=57．3 kg/m，D2=1 384 mm，代入公式得到T1=7．4 mm，所以待喷涂层厚度确定为9 mm。

3．4 防火设计中的注意事项

1)喷涂防火涂料之前，应根据钢结构的防腐蚀要求做好表面除锈工作，并喷涂底漆。底漆不应与防火涂料产生化学反应。如防火涂料同时具有防腐蚀功能并能达到相关规范要求，可除锈后直接喷涂。

2)设计说明中应注明“防火涂料必须有国家检测机构的耐火性能检测报告和消防监督机关颁发的生产许可证，方可选用。”

3)当结构可能受到炽热融化金属的侵害时，应采用砖和耐热材料做成的隔热层加以保护;当结构的表面长期受辐射热达到150℃以上或在短时间内可能受到火焰作用时，应采取有效的防火措施(如加隔热层或水套等)。

4)重要的钢柱应采用厚涂型防火涂料，其节点部位宜加厚处理。当防火涂料粘结强度不大于0．05 MPa时，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网。

5)承重钢梁构件采用厚涂型防火涂料时，其重要节点部位宜加厚处理。当防火涂料粘结强度不大于0．05 MPa时，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网;受振动作用的梁，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网;涂层厚度不小于40 mm的梁，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网;梁腹板高度超过1．5 m时，涂层内应设置与钢构件相连的钢丝网。

6)屋盖钢结构，为方便喷涂防火涂料，宜采用实腹式截面，不宜采用双角钢或双槽钢组合带节点板的断面。

7)室内隐蔽钢结构，高层全钢结构及多层厂房钢结构，当规定其耐火极限在2 h及以上时，应选用厚涂型防火涂料。