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编者按
钢结构因其经济和技术的优越性、低碳减排、循环经济以及可工业化、产业化发展，而被广泛应用。《钢结构（中英文）》自创刊以来，即以推动钢结构领域学术水平的提升和发展，加快钢结构产业的进步和繁荣为目标，坚持以技术方针政策和技术发展趋向的指导性、推动科技工作发展的针对性、解决生产建设中重大技术问题的实用性和促进技术进步的创新性为宗旨，以引领钢结构科技发展的未来与方向。随着科学技术的飞速发展，信息资源开发利用的理念、技术和方法都发生了重大变化。为了充分利用互联网信息海量、方便、快捷的特点,更好地发挥学术期刊的权威性和技术优势, 从2020年第2期开始，由《钢结构（中英文）》编辑部和土木吧微信公众号联手推出“钢结构热点探析”栏目, 就实际工作中遇到的有关钢结构的热点问题展开讨论，并给出简明建议, 以实现平面媒体与网络媒体的互动, 全方位、多途径、多层次地开发利用期刊、网络等重要资源, 为读者服务。也希望广大读者朋友踊跃参加讨论，积极投稿,将论坛办得有生气、有意义、有价值，为钢结构事业的蓬勃发展贡献力量。
问题引入
钢结构防火性能比较差,钢材耐热不耐高温,随着温度的升高,强度和弹性模量会下降,延长率和线膨胀系数增大,所以钢结构防火设计非常重要,那钢结构防火是怎样的设计流程呢?
网友讨论
1 土木哥
GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》实施以前,都是根据 GB 50016—2014《建筑设计防火规范》的要求选定钢结构构件的耐火极限时间要求防火涂料参数,没有具体的计算过程。
2 菩提
钢结构防火设计不是单专业的事情,要各专业相互配合,尤其建筑和设备专业。
3 昆仑土
1) 火灾威胁对于建筑甚至对于人类生存而言无异于洪水猛兽,防火观念及措施必须随时放在心上。
2) 口号“隐患险于明火,防范胜于救灾,责任重于泰山”,当然首要是“防” ! 关键何在? 当然是“釜底抽薪” ! 没有火源,去掉火源就不存在“防火”问题! 可以认为,刷涂料之类不是防火而是“抗”火!
3) 钢材是不可燃材料,也不是见火就软化。实际上除非存在大量易燃品仓库或生产车间之类建筑(不应采用钢结构)以外,常见的影剧院,体育场馆,车站及机场等有关建筑,空间及层高极大,即使有燃烧弹也烧不到受力结构(除了柱及柱间支撑之外),真是没什么可怕的!
4) 对比木材之类可燃易燃材料,若将钢结构防火当作重大结构问题,就应严禁采用木结构作为承重结构。
5) 结构专业考虑问题太多,工作量太大,责任太重大,应该减负,使结构师集中精力去处理其他专业无法解决的问题,确保工程安全可靠及耐久性,而不是不断增加责任增加工作量。防火问题应该考虑,但不应承担主要责任!
4 Mr_Roshan
厂家自己都不知道等效热阻是什么,更别说根据等效热阻选定涂层厚度了,设计结果落不到实处。
5 ygp
防火涂料的性能因厂家而异,因此防火涂料厚度的计算应该交给防火涂料公司计算。结构工程师只应该提供设计性能要求,而且防火涂料都应该有独立检查机构确认的。
问题分析
钢结构防火设计很重要。但一直以来,对防火设计投入的时间和精力与力学分析是没法比的。大多数工程仅是在设计总说明中对钢构件的耐火极限、涂料性能、施工操作等提一些原则性的要求。施工图中关于钢结构防火的说明有:
1) 钢结构的防火应符合《建筑设计防火规范》、《高层民用建筑设计防火规范》与《建筑钢结构防火技术规程》的要求。
2) 本工程耐火等级为一级,各类结构构件的耐火极限应不小于表 1 要求。
表 1 各类构件耐火极限
3) 本设计要求对上述结构构件进行防火喷涂,柱、支撑和梁采用厚涂型防火涂料;楼板、疏散楼梯和钢雨棚梁可采用薄涂型防火涂料,防火涂料的厚度须达到构件的耐火极限、防火涂料的性能、涂层厚度及质量应由国家级检测单位检测,符合《钢结构防火涂料》GB 14907 和《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS 24 的要求。
4) 防火涂料的施工应由专业队伍承担。
5) 防火涂料与防腐涂料必须相容,经建筑师同意,防火涂层可代替防腐涂装的面层,但应保证防火涂层与防腐涂层之间的附着力满足要求。
6) 防火涂层和防腐涂层施工完毕后,应对漆膜厚度、附着力等数据进行测试。
其实,上述说明不能算作防火设计。比如,对耐火极限至关重要的涂层厚度并没有明确,而是交由涂料厂家或防火专项设计去完成,搞不好就是一种放任的状态。
尽管在 CECS 200∶2006《建筑钢结构防火技术规范》中就有抗火承载力极限状态验算的要求,但因计算复杂,不借助软件是无法完成的;加之结构工程师对工程热物理不熟悉,所以该规范并没有被很好执行。随着 GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》的颁布,PKPM 和盈建科增加了耐火验算功能,且审图机构要求提供耐火验算结果,所以按耐火承载力极限状态进行防火设计已经成为钢结构设计的重要内容。
耐火验算的基础是工程热物理,这对于大多数结构工程师来说是陌生的。要想在短时间内准确理解规范、正确使用软件并不容易,甚至想理出个头绪都是很难的。所以,本文对《钢结构防火规范》的基本脉络进行梳理,希望能帮助初学者理解设计原理,正确选用计算参数,借助设计程序完成耐火验算和防火设计。
3.1 耐火验算和防火设计涉及到的三个方面
要做耐火验算和防火设计,就要对火的燃烧进程、钢材强度与温度的关系、防火保护层的属性这三方面进行定量描述。文中提及的公式均见 GB51249—2017,本文不再列出。
3.1.1 火的燃烧进程的描述
火是主因,相当于荷载。规范用热烟气的平均温度与火灾持续时间的关系曲线进行描述,即火灾升温曲线,分为标准升温曲线和烃类升温曲线。
烃类升温曲线用于石油、化工类建筑,标准升温曲线用于除石油、化工类以外的建筑。如图 1 所示。
图 1 火灾升温曲线
3.1.2 钢材在热烟气笼罩下的性能描述
分为两个方面:
1) 钢材强度与温度的关系,用 GB 51249—2017中式(5.1.2)表示。
2) 在热烟气的作用下,钢材升温与火灾持续时间的关系, 用 GB 51249—2017 中 式 (6.2.1-1、6.2.2-1)表示。公式中的参数有钢材的密度、比热容、热传递系数、截面形状系数(受火表面积和体积之比)等。除截面形状系数外,其他参数均为常数,见 GB 51249—2017 中表 5.1.1。
3.1.3 防火保护层的分类及其属性的描述
防火保护层的种类较多,属性也有较大的差别。
有的防火保护层质量较轻,相对于钢构件来说,其自身吸收的热量可忽略。这种防火保护层称为轻质保护层。如,非膨胀型防火涂料、膨胀型防火涂料、蛭石防火板、硅酸钙防火板、硅酸铝纤维毡等。
有的防火保护层必须考虑自身所吸收的热量,这种防火保护层称为非轻质保护层。如,混凝土、金属网抹砂浆、砌体等。
防火保护层分类如图 2 所示。棕色部分即为最常用最熟悉的防火涂料。
图 2 防火保护层分类
防火保护层的属性用“ 综合热传递系数 α ” 来描述,见 GB 51249—2017 中公式(6.2.2)。α 与防火保护层的密度、比热容和等效热传导系数、涂层厚度等参数有关。除涂层厚度外,其他参数均是材料的自身性能,同种材料为常数。
防火涂料属于轻质保护层,可忽略密度和比热容的影响。也就是说,密度和比热容的取值对计算结果没有影响。
3.2 耐火验算和防火设计用到的参数和术语
密度和热膨胀系数比较熟悉,这里略去。
1) 比热容,含义是指 “每 kg 物质当温度升高1 ℃ 时所需的热量”。反映了这种物质的蓄热能力。比热容是材料的自身性能。钢材的比热容为 600 J/(kg·℃),非膨胀防火涂料的比热容为 1000 J/(kg·℃)。
2) 热传导系数,也叫导热系数,含义是指“ 在稳定传热条件下,1 m 厚的材料、两侧表面的温差为1 ℃,在 1 h 内通过 1 m2 面积传递的热量” ,单位为W/(m·℃)。热传导系数也是材料的自身性能。钢材的热传导系数为 45 W/(m·℃) ,非膨胀防火涂料的热传导系数为 0.1 W/(m·℃)。
3) 等效热阻,是耐火验算和防火设计所要求得的数据。有了等效热阻值,就可以确定防火涂料的厚度。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,可与电阻类比。等效热阻的单位为m2·℃/W,表示 1 W 热流量所引起的温升大小。
3.3 耐火验算和防火设计的基本过程
以临界温度法为例,该过程可以用图 3 比较直观地表达出来。
图 3 临界温度法示意
水平轴表示钢材温度,正向竖轴表示钢材强度,负向竖轴表示火灾持续时间。1) 由软件对整体结构进行计算,得到火灾工况下各构件的应力组合设计值 Sm ,即图中正向竖轴上的 A 点。该点代表火灾中钢构件能够承受的最大应力。
2) 过 A 点作横轴的平行线,与图中紫色曲线“钢材强度与温度关系曲线” 相交于 B 点。B 点在横轴上对应的点 C,即是该构件允许达到的最高温度,即临界温度 Td 。
3)在负向竖轴上标出耐火极限对应的 E 点,过E 点作横轴的平行线,与 BC 延长线交于 D 点,该点表示该构件所需的等效热阻的最小值。
4)连接坐标原点 O 和点 D,可得到该直线的斜率为 k,则可求得该构件所需的等效热阻为:
式中:图片为截面形状系数。
5) 由等效热阻值确定涂层厚度:
a. 对于非膨胀型防火涂料,涂层厚度为
di= Riλi (2)
式中: λi 为防火涂料的等效热传导系数, W/(m·℃)。
b. 对于膨胀型防火涂料,因涂层厚度与膨胀层厚度和等效热传导系数均为非线性关系,也就是说,等效热传导系数不是常数。所以不宜用等效热传导系数计算涂层厚度,而是根据厂家提供的涂层厚度与等效热阻的对应关系确定。厂家应提供如表 2 所示的涂层厚度与等效热阻对应关系,其他厚度的等效热阻可线性插值。
表 2 涂层厚度与等效热阻对应关系
δ = dmax- dmin (3)
3.4 防火设计应提交的内容
1) 注明防火涂料的选型, 膨胀型还是非膨胀型。
2) 对于膨胀型防火涂料(薄型),只需注明等效热阻值即可。涂层厚度不应小于 1.5 mm。
3) 对于非膨胀型防火涂料(厚型),应注明等效热阻、等效热传导系数和涂层厚度。厚度不应小于15 mm。当等效热传导系数不同时,可按等效热阻相等的原则进行换算。
4) 注明防火涂料和防腐涂料的施工顺序。
对于膨胀型防火涂料,施工顺序为:防腐底漆、防腐中间漆、防火涂料、防腐面漆。
对于非膨胀型防火涂料,取消防腐面漆。
5) 其他事项可参照前述的钢结构防火说明。
（责任编辑：何雯丽）
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