高層建筑鋼結構的抗火設計方法及防火措施

韓寧

摘 要：鋼結構在建筑工程中發揮著越來越重要的作用。鋼結構優點很多，但卻有一個致命的缺陷：耐火性能差，結構發生火災后在很短的時間內就能把建筑物燒毀。文中針對鋼材的抗火性能，參考了國內外的資料，總結出了鋼結構的抗火設計方法及保護方法，并給出一些建議，為鋼結構的設計提供參考。

關鍵詞：高層建筑鋼結構；抗火設計；防火措施

隨著城市化進程的不斷推進，城市可利用的空間也越來越小，從而推動了城市高層以及超高層建筑的高速發展，而鋼結構在高層建筑以及超高層建筑中也得以大量采用，在建筑工程中發揮著越來越重要的作用。

鋼材雖然是非燃燒材料，耐熱但不耐高溫，不耐火，這也是其致命的弱點。隨著溫度的升高，鋼材的強度和剛度下降，當溫度超過300℃時，鋼材的屈服強度和彈性模量開始明顯降低；當溫度達到400℃時，其屈服強度將下降到常溫下的一半左右，彈性模量將下降到常溫下的60%左右；當溫度超過500℃時，鋼材會發生明顯的塑性變形，超過500℃時鋼材的承載力將急劇降低；當溫度達到600℃時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。因此，當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，一旦發生火災，結構很容易遭到破壞。

對高層建筑鋼結構進行抗火設計具有如下意義：1）減輕結構在火災中的破壞，避免結構在火災中局部倒塌造成滅火及人員疏散困難；2）避免結構在火災中整體倒塌造成人員傷亡；3）減少火災后結構的修復費用，縮短災后結構功能恢復周期，減少間接經濟損失。

一、高層建筑鋼結構抗火設計的基本方法

鋼結構抗火設計的實質是：選定保護材料及所需厚度，從而使結構在火災中的溫升不超過其臨界溫度而確保耐火穩定性，滿足承載能力的規定。

基于試驗的構件抗火設計是一種簡單、直觀的方法。即規范要求某一類型建筑物具有一定的耐火時間，然后對結構的主要構件進行正常設計荷載下的標準試驗，測定其抗火時間。設計目標為：結構（構件）的抗火時間不小于規范規定的耐火時間。我國《現行建筑設計防火規范》（GBJ16—87）中關于鋼梁和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。該試驗方法存在很多缺陷，所以結構抗火設計方法已開始從基于試驗的傳統方法，轉為基于計算的現代方法，特別是英國、瑞典、美國、日本等從20世紀70年代就大量開展了考慮上述諸因素的結構抗火計算與設計方法的研究。

結構抗火設計的目的是鋼結構構件在無防火措施時及防火措施被破壞或失效時，作為純鋼材構件，在火災下，在結構設計必須使結構能在規定的時間內，結構構件不至于達到承載力或變形的極限狀態?，F代高層建筑鋼結構的抗火設計主要有四種方法：

1基于試驗的構件抗火設計方法

基于試驗的構件抗火設計方法簡單直觀、便于應用。我國現行的規范關于鋼梁鋼柱的防火措施就是基于這種方法。但是該試驗方法存在很多缺陷。首先，耐火時間、耐火等級不易確定。其次，試驗不能準確模擬構件在結構中的實際受力情況和端部約束，而受力的大小和端部約束對構件耐火時間的影響很大。最后，構件受火在結構中產生溫度應力，而這一影響在構件試驗中也難以準確反映。因此，是難以分析這些因素對構件耐火時間的影響?？梢娫缙诘目够鹪O計方法有時失之經濟，有時又失之安全。

2基于計算的構件抗火設計方法

從20世紀70年代之后，結構抗火設計方法轉為基于構件計算的現代方法?；谟嬎愕匿摻Y構構件抗火設計方法的理論分析主要是用有限元方法，也有一些采用經典解析分析方法，基本建立了考慮任意荷載形式和端部約束狀態影響的鋼構件抗火設計方法。目前這種方法仍被一些國家的鋼結構設計規范所采用。文獻總結了在火災下構件抗火設計的計算方法：梁的最終極限狀態分析法；利用柱的曲屈曲線法；梁-柱構件的變形法和數值方法等。屈立軍采用簡單的溫度模型和理想塑性應力-應變曲線作為高溫下鋼材的本構關系，得出純彎、拉彎和壓彎構件的臨界溫度計算公式。計算中只考慮了強度的降低，沒考慮溫度應力的影響。

3基于計算的結構抗火設計方法

基于計算的結構抗火設計方法以防止整體結構倒塌為目標，認為火災下單個構件的破壞，并不一定意味著整體結構的破壞。特別是超靜定鋼結構體系，當結構局部或少數構件發生破壞，將引起結構的內力重分布，整體結構仍有一定的承載能力?；谡w結構極限承載能力的抗火設計是更為合理的，但目前還沒有提出被規范采納的工程實用方法。

4考慮火災隨機性的結構抗火設計方法

基于火災隨機性的結構抗火設計方法以結構的概率可靠度為目標，考慮火災及空氣升溫的隨機性。這方面的研究涉及火災學等其他相關學科的研究，但成果還不多。人們認為這是結構抗火設計的發展方向。

以上四種方法中基于試驗的抗火設計方法基本上被淘汰，現在的試驗一般用來檢驗理論研究的結果?；谟嬎愕臉嫾够鹪O計方法研究已有一定的理論成果和工程應用實踐?；谟嬎愕慕Y構抗火設計方法是以高溫下鋼結構整體反應為目標的設計方法，是目前鋼結構抗火設計的整體發展趨勢。

二、高層建筑鋼結構的防火措施

對于高層建筑鋼結構，除了進行基本的抗火設計，還必須考慮可行的防火保護措施，將兩者緊密的結合起來。鋼結構防火保護的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結構的升溫速率，延緩鋼結構表面到達臨界溫度的時間。常用防火措施現行基本有以下幾種：

1噴涂法

該方法采用專門設備將一定厚度防火涂料直接噴在鋼結構構件表面上，具有造價較低、施工快速、復雜的細部亦容易覆蓋等優點，視防火層厚度的大小抗火時間也有所不同，最高可達4個小時。但由于噴涂表面不平整，影響美觀。故適用于比較隱蔽的鋼構件。防火涂料一般由硅石添加粘結劑或礦物纖維制成。

2防火板隔離法

將表面平整的防火材料板采用機械方法螺栓連接或捆扎環繞固定在鋼構件的四周，一般做成箱狀，將構件和周圍火環境隔離，以達到降低構件的受熱速度，確保構件在一定的防火時效內不致達到其極限溫度。由于防火板可在工廠批量生產，所以具有厚度一致、品質保證、干凈無污染等優點。其外表平整、美觀，故較為適用于外露構件如鋼柱的防火處理，大部分產品抗火時間可達到4小時。但對于結構復雜的細部施工較困難，裝配速度較慢。

3膨脹漆覆蓋法

將一定厚度的膨脹漆采用噴涂、刷或抹的方式在經過一定處理的構件表面形成一層保護膜，最高可滿足2小時的抗火時間要求。膨脹漆防火材料覆蓋層遇高溫時能夠自然澎脹成泡沫狀，形成一層很厚的隔熱毯，其厚度可達原防火層厚度的數十倍，以降低鋼構件的升溫速率。該方法可作為鋼構件的表面裝修，具有施工迅速且易于在復雜的結構細部施工等優點，但大都不適合潮濕的環境，僅適用于干燥的室內環境。視材料防火性能的不同，該方法造價可高可低。

4水泥磚塊填充法

對于某些截面的H型鋼柱，在其翼緣和腹板之間的空隙處填入水泥磚以降低構件表面的曝火面積，同時使斷面上產生不同的溫度區域，從而達到降低構件的受熱速率，提高其抗火性能的目的。單獨采用該方法可能達到30分鐘的抗火時間，如果需要更高的抗火時效，則須對暴露的鋼構件表面施以其它的防火處理。

5水冷卻法

將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網，其內充滿含抗凍劑、防銹劑的水溶液，通過著火時的溫差作用，使水溶液循環流動，把熱量帶走；也可以設置自動水淋裝置，在鋼結構頂部設噴淋供水管網，火災時自動噴水，在鋼構件表面形成一道致密的連續流動的水膜，從而起到防火保護作用.

高層建筑鋼結構的防火保護方法并不是單單用上面的某一種方法，而是采用多法結合作用?，F在高層或超高層鋼結構往往設置幾道防火防線，一般以噴淋法為第一道防線，以防火板隔離法和噴涂法為第二、第三道防線等。

總之，高層建筑鋼結構抗火設計方面的研究雖然已經取得一定的成果，但是仍有許多亟待解決的問題。對于鋼結構的抗火設計我國還沒有具體的、系統的方法及要求。另外，與國外相比，國內的研究相對滯后，特別是在試驗研究和數值模擬分析方面。因此，我們應當加強這一領域各方面的研究；而對于結構設計工作者來說，也應將抗火設計融入鋼結構的設計概念中，通過多渠道學習，了解并加以運用。

參考文獻

[1]李國強，蔣首超，林桂祥.鋼結構抗火計算與設計[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[2]李國強.鋼結構抗火設計方法的發展[J].鋼結構，2000（3），VOL.15，NO.49：47-49.

[3]杜娟，魏德敏.鋼結構抗火研究[J].科技情報開發與經濟，2003（9），Vol.13：157-158.