摘 要：簡(jiǎn)述了鋼結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外資料，論述了鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)及防火保護(hù)的基本方法。并提出了今后工作中需大量研究的問(wèn)題，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性提供了參考。
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，抗火設(shè)計(jì)，防火保護(hù)，防火涂料
    近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。特別是1985年,我國(guó)興建了第1幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑“深圳發(fā)展中心大廈”以來(lái)，開辟了我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域。
    鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下特點(diǎn)：1）鋼材材質(zhì)均勻，可認(rèn)為為理想的彈性材料，受力狀態(tài)簡(jiǎn)單明了。2）鋼材的塑性和韌性好，有利用提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。3）鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，自重輕，降低結(jié)構(gòu)的自振周期，減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力，降低基礎(chǔ)造價(jià)。4）鋼結(jié)構(gòu)制作周期短、施工速度快等。
    鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)很多，但卻有一個(gè)致命的缺陷：耐火性能差，結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后在很短的時(shí)間內(nèi)就能把建筑物燒毀。文中針對(duì)鋼材的抗火性能，參考了國(guó)內(nèi)外的資料，總結(jié)出了鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)方法及保護(hù)方法，并給出一些建議，為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。
    1 鋼結(jié)構(gòu)抗火的設(shè)計(jì)方法
    鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是:選定保護(hù)材料及所需厚度,從而使結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫升不超過(guò)其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性，滿足承載能力的規(guī)定。
    基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)單、直觀的方法。即規(guī)范要求某一類型建筑物具有一定的耐火時(shí)間,然后對(duì)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件進(jìn)行正常設(shè)計(jì)荷載下的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),測(cè)定其抗火時(shí)間。設(shè)計(jì)目標(biāo)為:結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)的抗火時(shí)間不小于規(guī)范規(guī)定的耐火時(shí)間。我國(guó)《現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16—87）中關(guān)于鋼梁和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。該試驗(yàn)方法存在很多缺陷。首先,耐火時(shí)間、耐火等級(jí)不易確定。目前建筑物趨于功能復(fù)雜,體量大型化。同一建筑物的各個(gè)組成部分功能相差非常大。其次,構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中受力很難模擬,而受力的大小對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響很大。最后,構(gòu)件受火在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力,而這一影響在構(gòu)件試驗(yàn)中也難以準(zhǔn)確反映?？梢娫缙诘目够鹪O(shè)計(jì)方法有時(shí)失之經(jīng)濟(jì),有時(shí)又失之安全。鑒于試驗(yàn)的上述缺陷,結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法已開始從基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法,轉(zhuǎn)為基于計(jì)算的現(xiàn)代方法,特別是英國(guó)、瑞典、美國(guó)、日本等從20世紀(jì)70年代就大量開展了考慮上述諸因素的結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)方法的研究。
    基于計(jì)算的現(xiàn)代方法即用計(jì)算的方法代替標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的方法,可以免除傳統(tǒng)方法中所存在的問(wèn)題,是鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。目前計(jì)算方法有幾種:直接按耐火等級(jí)選擇構(gòu)件的耐火極限ｔ,求出構(gòu)件臨界溫度后Ts,用ｔ、Ts為控制條件求保護(hù)層厚度的Ts-ｔ耐火設(shè)計(jì)方法；用構(gòu)件的臨界溫度Ts和當(dāng)量升溫時(shí)間Te來(lái)確定防火保護(hù)層厚度的Ts-Te耐火設(shè)計(jì)方法。我國(guó)的第一部鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《上海市鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》（報(bào)批稿）中采納的設(shè)計(jì)方法,其計(jì)算過(guò)程如下:
    (1)采用確定的防火措施,設(shè)定一定的防火被覆厚度。
    (2)計(jì)算構(gòu)件在確定的防火措施和耐火極限下的內(nèi)部溫度。
    (3)采用確定高溫下鋼的材料參數(shù),計(jì)算結(jié)構(gòu)中的該構(gòu)件在外荷載和溫度作用下的內(nèi)力。
    (4)進(jìn)行荷載組合：
    式中S——荷載組合效應(yīng)；
    Gk——永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；
    Qik——樓面或屋面活載（不考慮屋面雪載）標(biāo)準(zhǔn)值；
    Wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；
    ——構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的溫度變化（考慮溫度效應(yīng)）；
    ——永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；
    ——樓面或屋面活荷載分項(xiàng)系數(shù)，取0.7；
    ——風(fēng)載分項(xiàng)系數(shù)，取0或0.3，根據(jù)不利情況；
    ——溫度效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；
    ——永久荷載，樓面或屋面活載，風(fēng)載，溫度變化的效應(yīng)系數(shù)。
    (5)根據(jù)構(gòu)件和受載的類型,進(jìn)行構(gòu)件耐火承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算。驗(yàn)算要求為:S≤R式中R為按確定溫度條件下的構(gòu)件的極限承載力。
    (6)當(dāng)設(shè)定的防火被覆厚度不合適時(shí)(過(guò)大或過(guò)小),可調(diào)整防火被覆厚度,重復(fù)上述(1)～(5)步驟。
    基于計(jì)算的防火設(shè)計(jì)方法,優(yōu)點(diǎn)是：考慮了多個(gè)影響因素,從構(gòu)件的實(shí)際工作條件出發(fā),進(jìn)行耐火設(shè)計(jì),從而與實(shí)際情況更接近；用保護(hù)材料的熱物理參數(shù)測(cè)定法取代了構(gòu)件的耐火試驗(yàn),使試驗(yàn)工作簡(jiǎn)化并大大降低了費(fèi)用。缺陷是：目前計(jì)算方法尚未統(tǒng)一;計(jì)算較為復(fù)雜,各計(jì)算方法之間計(jì)算結(jié)果差異較大，沒(méi)有考慮基于整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算。
    2 鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)
    2.1鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法
    除了進(jìn)行基本的抗火設(shè)計(jì)我們必須考慮可行的防火保護(hù)，將兩者緊密的結(jié)合起來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)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(jié)構(gòu)的升溫速率，延緩鋼結(jié)構(gòu)表面到達(dá)臨界溫度的時(shí)間。主要方法有以下幾種：
    1）包封法：采用耐火、輕質(zhì)的板材，如石膏板、硅酸鈣板、珍珠巖板等，通過(guò)粘結(jié)劑或連接構(gòu)件（鋼釘?shù)龋宀陌?、固定在鋼?gòu)件上。也可以澆注混凝土成砌筑耐火磚。
    2）屏蔽法：即是把鋼構(gòu)件保藏在由耐火材料組成墻體或吊頂內(nèi)。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)常用這種保護(hù)方法。
    3）水冷卻法：將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網(wǎng)，其內(nèi)充滿含抗凍劑，防銹劑的水溶液，通過(guò)著火時(shí)的溫差作用，使水溶液循環(huán)流動(dòng)，把熱量帶走；也可以設(shè)置自動(dòng)水淋裝置，在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)噴水，在鋼構(gòu)件表面形成一道致密的連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到防火保護(hù)作用。
    4）噴涂法：采用噴涂或手工涂抹，將防火涂料涂覆于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面。這是目前常用的方法，其施工簡(jiǎn)便，重量輕，而且不受鋼構(gòu)件幾何形狀的限制，有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。
    鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法并不是單單用上面的某一種方法，而是采用多法結(jié)合作用。現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)特別是高層或超高層鋼結(jié)構(gòu)往往設(shè)置幾道防火防線，一般以噴淋法為第一道防線，以包封法和噴涂法為第二，第三道防線等。
    2.2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
    防火涂料是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中最常用和最方便的方法。它是一種功能性涂料,除具有一般涂料的防護(hù)和裝飾性能外,還具有防火的特殊功能。在我國(guó)一般分為厚涂型（H類）和薄涂型（B類）兩類。其性質(zhì)和功能對(duì)比。
    薄涂型和厚涂型防火涂料的性質(zhì)對(duì)比
    類型 厚度（mm） 性質(zhì) 耐火極限（hour） 特點(diǎn)
    薄涂型(B類) 2～7 有機(jī)膨脹型階段性防火 0.5~1.5 裝飾性強(qiáng)、粘結(jié)力高、抗震動(dòng)性和翹曲性好，施工方便。
    厚涂型(H類) 8～20 無(wú)機(jī)膨脹型永久性防火 0.5~3.0 保護(hù)性強(qiáng)、熱導(dǎo)率低、有效性高、無(wú)毒、施工較復(fù)雜。
    薄涂型和厚涂型防火涂料的功能對(duì)比
    類型 適用范圍 施工方法 涂料型號(hào)
    薄涂型(B類) 耐火極限在1.5hour以下的有裝飾要求的鋼結(jié)構(gòu)。*露網(wǎng)架、輕型屋架、體育館。 分層噴涂、刷涂、滾涂、無(wú)需養(yǎng)護(hù)。 LB SG-1 SB-2 SS-1
    厚涂型(H類) 耐火極限在1.5hour以上的鋼結(jié)構(gòu)、隱蔽結(jié)構(gòu)，重要結(jié)構(gòu)、潮濕環(huán)境下結(jié)構(gòu)。高層全鋼結(jié)構(gòu)、多層廠房鋼結(jié)構(gòu)、烴類火條件下的鋼結(jié)構(gòu)等。 分層手工涂抹或機(jī)械噴涂、需養(yǎng)護(hù)。 LG STI-A JG276 SG-2ST-86 SB-1
    值得注意的是露天鋼結(jié)構(gòu),必須選用適合室外使用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料選用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí),還應(yīng)注意下列問(wèn)題:(1)不要把技術(shù)性能僅能滿足室內(nèi)的涂料用于室外。(2)不要輕易把飾面型防火涂料選用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。(3)不能選用有毒的涂料
    3 結(jié)語(yǔ)
    1)現(xiàn)行的抗火設(shè)計(jì)方法是基于計(jì)算的構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，缺乏基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。改方法以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)時(shí),基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)。即將結(jié)構(gòu)的主要功能作為整體承受荷載,火災(zāi)下結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件的破壞,并不一定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞,特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),一般情況下結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞,將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,結(jié)構(gòu)仍具有一定繼續(xù)承載的能力。
    2)考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法：結(jié)構(gòu)抗火的概率可靠度設(shè)計(jì)必須考慮火災(zāi)與空氣升溫的隨機(jī)性，有待發(fā)展
    3)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度、重力荷載共同作用下的破壞機(jī)理和承載力計(jì)算模型研究。該研究是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的核心,工作量也。
    4)抗火涂料的抗沖擊性研究。
    5)缺乏火災(zāi)荷載分布統(tǒng)計(jì)。該項(xiàng)研究是鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。