浅谈对钢结构住宅抗火设计的研究

杨道直

华北水利水电大学（450000）

浅谈对钢结构住宅抗火设计的研究

杨道直

华北水利水电大学（450000）

近年来，对钢结构抗火的研究一直是建筑安全领域的研究重点，而钢结构住宅又是未来将普遍采用的一种住宅结构形式。文章简要介绍钢结构住宅的发展情况，以及钢结构抗火的一些设计计算方法及解决办法。

钢结构住宅；抗火性能；设计方法

与混凝土结构相比，钢结构建筑具有强度高、质量轻、抗震性能好、施工速度快等优点，但是钢结构有一个不容忽视的缺陷，即抗火性能差。经验表明，当钢结构建筑未进行抗火设计且无任何保护措施时，一旦发生火灾，整个结构在极短时间内就会瞬时全部崩溃，因此，为防止钢结构在火灾情况下短时间内刚度迅速下降导致结构局部破坏或整体坍塌，从实际工程的角度出发必须对钢结构进行抗火设计，采取合理的保护措施，保证其建筑耐火极限的要求。而住宅作为一种最广泛的建筑形式，钢结构住宅作为一种重要的住宅结构形式，很可能在以后会有飞速发展，因此，研究钢结构住宅的抗火就成了今后研究的重要趋势。

1 钢结构的发展

在国外，尤其是发达国家，钢结构建筑已得到广泛应用,如美国的钢结构建筑已占建筑总量的68%以上,日本为50%以上,欧洲国家一般都在20%～30%,韩国也达到了20%，1997年以来，我国的年钢产量连年超过一亿吨，居于世界首位。也正因如此，在中国发展钢结构建筑具有天然的优势。为此，国家有关部委制定了在建筑工程中推广使用钢结构的一系列政策措施。

2 钢结构住宅的特点

与一般结构相比，钢结构住宅主要的优点有：强度高，自重小，抗震性能好，施工不受季节影响，缩短工期，由于刚才的强度高，可增大住宅的使用面积，建材可重复利用，能有效减少建筑垃圾和环境污染。而其也存在一些缺点，比如抗腐蚀和耐火性差，造价相对较高。

3 高温对钢材力学性能的影响

钢材虽为非燃性材料，耐热性能高于钢筋混凝土材料，但其耐火性能较差。无防护措施的钢结构耐火极限只有15 min左右。高温情况下，钢材的屈服强度、极限强度和弹性模量均随温度的升高而降低，而且屈服台阶越来越小。当温度在150℃以上时，就必须采取保护措施。在300～400℃时，钢材已无明显的屈服台阶，强度开始迅速下，且内部晶体结合方式发生变化导致塑性和韧性下降，出现明显的蓝脆现象。温度达到400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半。当温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。但是一般火灾现场的温度都会达到800～1 000℃，在这样的高温下裸露的钢结构构件强度会迅速降低，很快出现塑性变形，产生局部破坏，最终造成钢结构建筑物整体坍塌。

4 钢结构抗火设计方法及计算基本步骤

4.1 钢结构抗火设计方法

钢结构抗火设计的要求用一个不等式可表示为：结构抗火能力≥结构抗火要求。根据实现该要求的手段，结构抗火设计方法可分为如下几种。

1）基于试验的结构抗火设计方法

该方法为传统的结构抗火设计方法，以试验为依据，通过对标准构件或实际构件在规定荷载分布与标准升温条件下的试验，确定采取不同的防火措施。进行抗火设计时，根据构件耐火极限的要求来确定防火措施。该方法简单、直观、应用方便，但试验很难准确模拟构件荷载分布和大小、端部约束情况，以及构件在火灾情况下的温度应力难以正确反映。

2）基于计算的结构抗火设计方法

20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。基于计算的结构抗火设计方法考虑了传统基于试验的结构抗火设计方法的不足，利用结构分析理论和热传导理论考虑构件的荷载分布和大小、端部约束情况以及温度内力的影响，通过计算确定构件的耐火极限。该方法可以以构件为对象也可以以结构整体为对象进行计算。目前规范主要以前者为对象进行抗火设计。基于计算的结构整体极限承载能力的抗火计算方法以防止整体结构倒塌为目的，认为结构的局部破坏引起结构内力重新分配，尚不影响结构整体承载能力。

3）性能化抗火设计方法

该方法从两个方面考虑来确定结构的抗火需求。首先，依据结构构件所处部位、人员安全和火灾经济损失最小为原则来确定结构的抗火需求。其次，考虑实际火灾和空气升温的随机性以及结构整体性能对结构抗火能力的影响。该方法以结构抗火需求为目标，最大程度地模拟结构的实际抗火能力，且涉及物理学、空气动力学等其他相关学科的研究,是一种较为先进的设计方法，但仍处于初始研究阶段。

4.2 钢结构构件抗火实用计算方法基本步骤

钢结构抗火设计以钢构件在耐火极限范围内满足承载力为基础来确定构件的防火覆盖层厚度。目前国内大多采用构件抗火计算方法进行钢结构抗火设计，该方法也被《建筑钢结构防火技术规范》CECS 2002006所采纳。钢结构构件抗火实用计算方法基本步骤可归纳为：

1）确定最不利火灾位置及计算构件。最不利火灾位置一般为使结构主要构件产生较高温度的位置并根据构件类型选择最不利构件。

2）根据构件类型和防火材料类型确定防火被覆厚度。

3）采用火灾下钢构件升温实用计算方法确定耐火极限条件下构件的内部温度。

4）确定高温情况下钢材特性参数，计算构件在外荷和温度作用下的内力。

5）采用下列最不利线性组合确定高温情况下构件荷载效应。

6）根据构件边界条件进行耐火承载力极限状态验算，当验算不符合要求时，调整被覆层厚度，重复步骤2）、6）。

5 钢结构住宅抗火的措施

5.1 提高钢结构住宅抗火性能的主要方法

1）单面屏蔽法

在钢构件的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。这种在特殊部位设置防火屏障的措施是一种相对较经济的钢构件防火方法。主要用在铸造车间等有高热源建筑的特殊部位。

2）涂抹防火材料

将防火涂料涂在钢材表面。这种方法简便，重量轻，不受构件形状限制。

3）采用耐火轻质板材作为防火外包层

采用纤维增强水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸钙板将钢构件包裹起来。用于钢柱防火时占用空间很少。

4）浇筑混凝土或砌筑耐火砖

采用混凝土或耐火砖完全封闭钢构件。这种方法优点是强度高，耐冲击，但是占用空间大，施工较为复杂，特别是在钢梁、斜撑上。

5.2 防火涂料的选用

选用钢结构防火涂料时，应考虑结构类型、耐火极限要求、工作环境等，选用原则如下：

1）裸露网架钢结构、轻钢屋架，以及其他构件截面小、振动挠曲变化大的钢结构，当要求耐火极限在1.5 h以下时，宜选用薄涂型钢结构防火涂料，装饰要求较高的建筑宜选择超薄型钢结构防火涂料。

2）室内隐蔽钢结构、高层等永久性建筑当要求耐火极限在1.5 h以上时，应选用厚涂型钢结构防火涂料。

3）露天钢结构，必须选用适合室外使用的钢结构防火涂料。

6 结语

钢结构住宅是今后住宅发展的趋势，也是未来住宅的重要形式，开发钢结构住宅必将有广阔的建筑市场，而研究钢结构的抗火性能必将是其中重要的一步，也将对钢结构住宅的发展起着至关重要的作用。

[1]李国强.钢结构抗火设计方法的发展[J].钢结构,2013,15 (49)：47-49.

[2]王小蓉.钢结构抗火分析与计算[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文,2007.

[3]李国强,蒋首超.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社,1999.

[4]李秋起,徐敏.钢结构防火涂料存在的一些问题及改进措施[J].现代涂料与涂装,2008,11(6)：11-15.