建筑钢结构防火设计分析与研究

建筑钢结构防火设计分析与研究

韩晨

苏州工业设备安装集团有限公司 江苏省苏州市 215000

摘要：随着建筑业的不断发展，钢结构建筑以其造型丰富，自重轻，抗震性能好，施工方便，施工进度快等优点得到很多建筑工程的广泛应用。就钢结构本身的特点来说，钢材属于不燃烧材料，在建筑的运用中也是非常多的，如会议展览馆，火车站，机场，商场等，而这些都属于公共设施，所以在实际运用的过程中，也要充分考虑到钢结构的防火设计。本文根据《建筑设计防火规范》和《建筑钢结构防火技术规范》的相关规定，对实际过程中钢结构建筑的防火设计和火灾中钢结构升温的相关问题进行阐述，希望对钢结构的防火提供一些思路。

关键词：钢结构；防火设计；分析

经济的发展，城市规模的不断扩大，建筑的走向也向大规模，高层化的方向发展，在这一过程中，钢结构建筑以其显著的各种优点，比如施工速度快，造型丰富等受到很多建筑商的追捧。钢结构建筑的运用场所大多是公共设施，所以在使用的过程中更应该考虑建筑的防火性，主要从以下几点进行分析：

一、建筑钢结构防火设计分析的必要性

我们都知道，钢结构建筑大都属于公共设施，这类建筑一般属于人员密集场所，一旦有火灾的发生，容易造成人员拥堵的情况，这种情况的发生，必然造成人员的伤亡。比如1973年天津人民体育馆的火灾，火灾发生不到一个小时后大跨度的钢结构屋架就发生了整体坍塌；2003年山东青岛的正大食品厂钢结构建筑厂房发生火灾，造成了厂房坍塌，人员伤亡的严重情况，经济损失也非常严重；还有2005年安徽马鞍山蒙牛乳业分公司的钢结构厂房发生火灾，钢结构屋顶的坍塌造成了三名消防官兵遇难，经济损失高达360万元。这些血淋淋的事情告诉我们，对于钢结构建筑防火性的研究是非常重要以及必要的，要加大对此的分析与研究^[1]。

二、建筑钢结构防火设计方法

（一）耐火极限法

对于钢结构防火的方法，国外开始的比较早，英国在1985年就将性能化设计方法作为可供选择的防火设计方法，欧洲也有详细的钢结构防火规程，这些研究的方向和成果都是可以借鉴的。

耐火极限法是构件的模拟实验法，就是对构件直接烧出来的实际耐火极限。这种方法是根据《建筑设计防火规范》中的要求所采用的主要方法，也是目前应用较为广泛的一种方法。这种方法的问题是，没有考虑构件的大小和形状在实际火灾中构件的实际荷载和构建间的约束关系，所以在实际运用中还是有很多缺陷的。

耐火极限法可以把全尺寸试验研究和相似模型进行缩尺进行实验研究，通过火灾场景的模拟实验获得相关的火灾数据，但是全尺寸实验研究的成本较高，需要投入大量的人力物力，实验数据的可靠性也不是很好把握，同时，模拟过程中，火灾的发展过程也不好精准控制。相似的模型缩尺实验相对可以减少实验的研究成本，缩短研究周期，也是全尺寸火灾实验的重要数据补充。两种方法可以配合使用，以期能够得到相对准确的实验数据。

（二）承载力法或临界温度法

这两种方法都是在实验基础上总结出来的理论计算方法。通过借助计算机等工具对火灾的发展和烟气的流动进行计算模拟，对其承载力和临界值做出模拟。这种方法是对实验研究的完善和扩展，也是火灾理论研究的重要方法。

承载力法主要是以承载力为指标，对构件在耐火时间内满足承载力的极限要求，而临界温度法则是要以温度计算为核心，火灾在钢结构的最高温度不可以超过临界值。此方法的计算，需按照《钢结构防火技术规范》的相关规定进行。

（三）计算机模拟法

计算机模拟法是利用一定的经验或理论进行研究的方法。目前计算机的模拟主要分为区域模拟和场模拟，区域模拟是把要研究的空间分为不同的区域，然后根据相关的原理，比如质量平衡原理，能量守恒原理等，进行各个区域的分别计算研究，以求得各区域的状态参数。区域模拟的好处是把大的不利于研究的受限空间分区域研究，能够得出相对可靠的结果，但是对于形状复杂的空间，可能存在较大的误差。

场模拟是把火空间分成许多单元网格，通过科学的方法和化学方程等，比如动量平衡方程，化学组分方程等，计算火灾过程中各状态的参数和变化，计算的精准度计较高，但这个过程耗时较多。

早期区域模拟是火灾研究的主要方法，近年来由于计算机的发展，场模拟的方法也越来越多的开始使用。场模拟的软件也越来越全面，比如美国国家技术标准局研制的火灾动力模拟软件，采用了先进的大涡模拟数值的方法，计算结果得到了较多的实验验证，是近年来火灾安全领域受到广泛应用的计算软件之一。

由于我国计算机的起步较晚，对大空间火灾的研究也比较晚，是从80年代末90年代初才开始的，所以更应该借鉴一些先进的技术和方法，才能不断提升我们在钢结构防火方面的技术^[2]。

三、钢结构升温降温的问题

近年来，虽然我国在对钢结构的防火设计方面已经取得了很多的进展，但是在实际火灾过程中对于力学的研究计较少，主要体现在钢结构升温和降温的相关问题。

火灾发生时，钢结构处在不均匀的温度场，火焰范围内或者临界火焰的地方温度较高，远离火源的一些区域温度较低，这些温度的变化都是不同的，也和一些小型火灾的数据是不同的，目前，在这方面的研究比较少。因此有必要对实际火灾过程中钢结构的升温计算方法进行研究，充实实验数据的可靠性。火灾的降温阶段，钢结构也会发生内力重分布的现象，构件之间也会发生更为复杂的变化，。目前，我们对于钢结构的抗火性研究主要是根据火灾升温阶段的数据进行的分析，因此也有必要对火灾降温的过程对于钢结构的影响做出相关的研究和补充。这一研究，对于火灾后的评估和修复也都有很大的依据。

四、钢结构防火涂料的应用

根据《建筑钢结构防火技术规范》的相关规定，钢结构的防火设计应当采用非膨胀性防火涂料进行保护。在使用中，应该对防火涂料的厚度设计和防火材料的热传导系数的机制给出具体参数。

钢结构的防火涂料一般分为膨胀型和非膨胀型，膨胀型即为薄型防火涂料，其厚度小于或者等于7毫米，这类防火涂料一般是由有机树脂为原料再配以发泡剂，阻燃剂等制造而成，遇火后自身发泡膨胀，然后形成多孔的碳化层，以此来阻断外部对基材的传热，从而起到绝热的作用。但随着火灾的持续发生，部分有机物在较高的温度下发生分解老化的问题，涂层也会脱落，耐久性较差，如果是对耐火性要求较高的建筑和构件不推荐使用这类防火涂料。

非膨胀型防火涂料的厚度一般为7到50毫米，这类防火涂料由多孔轻质无机绝热材料为基材，配以无机黏结剂等制造而成，涂层的物理性和化学性稳定，遇火不膨胀，防火原理是用涂层良好的绝热性，以及高温下部分成分的蒸发分解反应而产生吸热的作用，以此阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，对钢结构构件的升温起到延缓和抑制作用。而在实际使用的过程中，还要关注防火涂料与防锈漆的兼容问题，绝不可以出现为了节约成本选用调和漆的情况，以免造成漆面空鼓脱落的现象。

五、钢结构规范中的术语

钢结构防火，作为非常具有专业性的领域，牵扯到很多的专业术语，在这里对几种常用术语做出总结：

（一）截面形状系数：在《建筑钢结构防火技术规范》中的定义是“构件的防火保护材料内表面与单位长度钢构件的体积之比”，与建筑节能计算中建筑体型系数计算是一致的。

（二）荷载比：火灾下结构或构件的荷载效应设计值与其常温下的承载力设计值的比值。是衡量火灾下结构或构件承载力水平的重要指标，是临界温度法进行构件耐火验算的必要参数。荷载比越大，耐火时间越长。反之，荷载比越小，耐火时间越短。

（三）等效热阻：按照《建筑钢结构防火技术规范》中的公式进行计算^[3]。

结语

钢结构的防火技术对于我国还是初级发展阶段，在实际的操作中，应该多参考国内外的优秀经验，为钢结构防火的有效开展做出更多更全面的研究。

参考文献

[1]谈建国,谈路遥,金烁.建筑钢结构防火设计分析与研究[J].工程建设与设计,2022(01):14-17.DOI:10.13616/j.cnki.gcjsysj.2022.01.004.

[2]高德志,陈辉.建筑钢结构防火设计的规范理解与软件应用[J].建筑结构,2021,51(13):79-86+78.DOI:10.19701/j.jzjg.2021.13.012.

[3]周晓勇.建筑钢结构防火保护方法分析[J].消防界(电子版),2019,5(06):17.DOI:10.16859/j.cnki.cn12-9204/tu.2019.06.009.