建筑火灾与地震和风一样,应作为建筑结构的灾害性、偶然性作用考虑并进行合理的防火设计,结构防火与结构抗震和结构抗风一道并列为建筑结构设计中必要环节。欧洲、北美、日本、新西兰、澳大利亚等发达地区及国家早已将基于结构承载力验算的建筑结构防火设计纳入设计体系并作强制性要求。我国近年来才开始推行基于结构耐火验算的钢结构防火设计方法。

　　 建筑防火涉及多个专业,相关规定主要涵盖各类型建筑结构的火灾危险性分类、建筑耐火等级、结构或非结构构件燃烧性能和耐火极限要求、建筑防火分区、防火间距、疏散、建筑构造、灭火救援设施和水风暖电设备等基本要求,主要规范为《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版) ^[1](简称防火规范)及《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》 ^[2]等补充文件;《住宅建筑规范》(GB 50368—2005) ^[3]规定了住宅建筑构件的耐火极限和燃烧性能要求;此外体育建筑、村镇建筑、车库、飞机库、地铁、灾后安置点等均有相应的防火设计规定 ^{[4,5,6,7,8,9]};建筑内部装修设计也有专门的规范规定 ^[10]。与上述规范对应的国外主要规范有美国NFPA 5000 ^[11]、International building code ^[12]、International fire code ^[13]、英国Approved Document B ^[14]等,这些规范主要是针对建筑防火功能和布局的基本规定,并规定了各类型建筑的耐火等级和结构构件耐火极限,但并未涵盖基于计算的结构防火设计方法。

　　 对于普通建筑材料或制品,《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB 8624—2012) ^[15]规定了材料燃烧性能分级,其试验检测依据和判别准则由《建筑材料不燃性试验方法》(GB/T 5464—2010) ^[16]、《建筑材料难燃性试验方法》(GB/T 8625—2005) ^[17]和《建筑材料可燃性试验方法》(GB/T 8626—2007) ^[18]给出;对于复合夹芯板材《复合夹芯板建筑体燃烧性能试验 第1部分:小室法》(GB/T 25206.1—2014) ^[19]和《复合夹芯板建筑体燃烧性能试验 第2部分:大室法》(GB/T 25206.2—2010) ^[20]给出了相应的试验方法和判别准则,还有《建筑材料或制品的单体燃烧试验》(GB/T 20284—2006) ^[21]等规范提供了相关试验方法和规定。对于承重结构构件或不承重非结构构件等建筑构件的耐火极限,《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978—2008) ^[22]详细规定了火灾试验设备以及墙梁柱板等形式建筑构件的加载或不加载试验方法。

　　 钢材是建筑结构常用材料之一,其中钢结构的耐火性能较差,通常需要采用防火保护措施,防火涂料是常用的主要保护措施之一,建筑钢结构防火涂料应满足《钢结构防火涂料》(GB 14907—2018) ^[23](简称新版钢结构防火涂料规范)的要求,相关的试验检测规范还有《建筑构件用防火保护材料通用要求》(GA/T 110—2013) ^[24]。建筑钢结构防火涂料的施工和验收可以参考《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017) ^[25](简称国标钢结构防火规范)、《钢结构工程施工质量验收标准》(GB 50205—2020) ^[26]、《建筑工程施工质量验收统一标准》(GB 50300—2013) ^[27]、《钢结构防火涂料应用技术规范》(CECS 24∶90) ^[28]和《消防产品现场检查判定规则》(GA 588—2012) ^[29]等相关条文。当采用防火砂浆、混凝土等材料作为钢结构构件的防火包裹材料时,可以参考钢结构防火涂料规范的相关检测规定。当采用防火板材、棉或卷材(如石膏板、硅酸钙板、镁质水泥材料、岩棉、硅酸铝棉等)作为钢结构构件防火保护措施时,构件的耐火极限可以通过耐火试验确定,板材的防火性能应符合相关的材料标准。

　　 与建筑防火相关的验收规范还有《建筑内部装修防火施工及验收规范》(GB 50354—2005) ^[30]。当发生建筑火灾后,对幸存建筑结构进行鉴定评估以《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252∶2009) ^[31]相关规定为依据。除上述规范文件外尚有大量各类材料和设备专业相关的防火规范和检测规范。

　　 上述建筑材料、建筑构件、防火涂料、防火板材等产品防火质量、试验以及检测等标准规范以相关国际规范(ISO)和欧美规范为主要参考对象并体现了国内的相关研究成果,形成了主要的建筑防火规范体系。但是由于经济和理论积累等方面的原因,结构的防火设计长期以来没有国家规范明确详细的指导,仅仅作为建筑结构消防的一部分,在防火规范及相关规范中进行了初步的原则性规定。

　　 国标钢结构防火规范实行前在建筑钢结构的设计中,仅需要根据防火规范等相关规范规定建筑耐火等级和构件耐火极限,同时注明拟选用的防火涂料类型(按《钢结构防火涂料》(GB 14907—2002) ^[32](简称旧版钢结构防火涂料规范)分类为厚型、超薄型和薄型)即可。防火保护措施或防火涂料涂层膜厚的设计,一方面可以参考防火规范附录中较为粗略的参考数据,另一方面可直接根据防火材料耐火试验的数据确定涂层膜厚。

　　 以防火保护涂料为例,过去国内通行以基于旧版钢结构防火涂料规范要求开展基于标准工字钢梁的新式检测试验并直接采纳试验试件的涂层膜厚为钢结构防火涂料设计膜厚,而不区分工程中实际构件类型、大小和荷载水平。实际上型式检测的基本目的仅限于判定一定厚度的防火涂料涂层合格与否,并不能针对性地给出实际构件与所需涂层膜厚及其防火保护性能的对应关系。另外,市场上的防火涂料生产厂家众多,产品多种多样,不同品牌、类型、型号的防火涂料的性能差异很大;此外,在实际工程中,结构构件的形式多样(梁、柱、墙、楼板、支撑等)、构件的截面形式多样(方管、圆管、工字钢、钢-混组合构件等)、截面大小多样化、受力状态和荷载水平多样;再则构件的火灾工况即受火形式(单面受火、双面受火、三面受火、四面受火),这些因素都导致基于单一标准钢梁型式检测的检验结果实际上缺乏对实际工程中结构构件防火设计科学合理的指导。

　　 根据国际标准化组织ISO、美国UL和英国BS476系列防火规范的检测要求,防火涂料产品应结合不同截面形状、不同尺寸的钢试件开展批量试验,同时以涂层膜厚和受火条件为变量,并依据截面形状、受火面形状、截面系数、受火时长和临界温度等参数共同确定防火涂料涂层膜厚,欧洲、北美、澳大利亚、新西兰等发达国家多采纳或认可上述方法。在长期的研究发展过程中基于传热学理论和大量试验数据,发展了钢结构构件升温计算方法,以升温计算为基础结合钢材性能随高温衰退规律可以定量计算钢结构构件耐火极限,并确定其防火保护措施,相关的方法反映在欧洲钢结构协会ECCS钢结构防火设计标准 ^[33]、英国规范BS 5950 part 8 ^[34]、欧洲规范EN 1993-1-2 ^[35]和美国规范ANSI/AISC 360-10 ^[36]等规范中。由于材料和产品的多样性,基于计算的钢结构防火设计来确定防火保护措施(如防火涂料干膜厚度)仍然高度依赖系统的试验数据,防火材料对结构耐火性能的贡献通常根据标准火灾试验进行标定,相关的规范有欧洲ENV 13381系列规范等。

　　 同济大学和中国钢结构协会曾主编了基于耐火极限验算方法的推荐性工程建设标准《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200∶2006) ^[37]并于2006年施行,但该规范在实际工程设计中的应用较为有限,由于该规范未得到广泛推广,建筑结构工程设计人员对钢结构防火设计普遍较为陌生。在精简并适度完善的基础上,国标钢结构防火规范于2017年发布,并于2018年4月1日起开始实施,规范中以强制性条文要求钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计,颠覆原有的经验设计方法,将钢结构防火设计提升到基于计算的高度。新版钢结构防火涂料规范也于2018年发布,并于2019年6月1日开始实施,规范中对防火涂料的分类(原厚型改为非膨胀型、原超薄型和薄型改称膨胀型)、耐火性能分级、技术要求和试验、检验规则等进行了全面更新;施工验收规范《钢结构防火涂料应用技术规范》(CECS 24∶90) ^[28]等相关规范也在开展修订升级。

　　 需要注意的是,自2017年底全国陆续启动了消防领域“放管服”改革,建筑结构防火相关的消防主管主办部门由原消防部门转移至住建系统。由于钢结构防火设计相关规范之间衔接、匹配和执行时间差、消防改革周期较长、设计人员对结构防火设计的生疏和商业设计计算软件相关模块开发的滞后等问题,同时住建系统特别是以审图机构为主体的设计审查单位和质检站为主体的基层验收部门对消防特别是结构防火领域欠缺一定的熟悉程度,建筑钢结构按结构耐火承载力极限状态的耐火验算和防火设计在实际工程项目从设计到施工验收等各环节仍然处于实质的过渡阶段,严格按新规范体系执行仍待完善。

　　 总体上,我国有较为完善的建筑防火设计规范体系(图1),特别对各类型建筑结构的火灾危险性分类、建筑耐火等级、结构或非结构构件燃烧性能和耐火极限、建筑防火分区、防火间距、疏散、建筑构造、灭火救援设施和水风暖电设备等有详细的规定。钢结构自身的耐火性能较低,ISO-834标准火灾环境下无保护的钢结构构件在15min内可升温至500℃左右,此时钢材强度衰退到常温的70%左右,随后钢结构的强度、刚度等力学性能随温度的继续升高快速衰退,因此建筑钢结构要达到设计耐火极限通常离不开防火保护措施。

　　 开展结构防火设计,既是消防的重要一环也是结构设计的重要一环,是保证结构在火灾作用下安全的重要手段,是确保结构构件满足规范要求的耐火性能,并安全开展建筑火灾试验相关疏散和救援的底线。相对于旧规范的设计方法,基于钢结构耐火极限验算的结构防火设计则是确保钢结构构件防火设计合理、可靠的有效手段。国标钢结构防火规范的实施实现了对建筑结构防火设计差异化、针对性和定量化的要求,新版钢结构防火涂料规范的实施对防火涂料性能做了更加科学和明确的规定。

　　 由于结构防火设计长期以来并未作为建筑结构设计中的专项,结构工程师大多对结构防火设计不甚熟知,新规范的实施对钢结构设计提出了新的挑战。本文拟对国标钢结构防火规范和钢结构防火涂料规范等钢结构防火设计相关的新规范进行系统介绍,并介绍钢结构防火设计的基本流程和设计要点。

　　 传统的钢结构设计包含两大部分验算:承载能力极限状态和正常使用极限状态。上述验算主要涉及的计算参数有:荷载、材料力学性能;主要计算指标有:受力(内力/应力)和变形。结构防火设计最大的特点在于除恒载、活载、风荷载等荷载外,还要考虑火灾引起高温环境的影响,也称作火灾作用。混凝土、钢材等结构材料的力学性能往往随温度的升高而持续衰减,结构或构件耐火承载力极限状态的定义为在火灾引起的高温环境下受力的结构构件达到不能承受外部作用或不适于继续承载的变形的状态,而结构或构件从受火初始时刻到达到耐火承载力极限状态的持续时间定义为耐火极限。受火时长和结构构件的升温是基于耐火极限验算的钢结构防火设计的重要因素。钢结构防火设计需要进行的耐火验算是基于承载能力极限状态的验算。验算时偶然荷载组合通常可不考虑地震与火的组合作用,仅计入恒载、活载、风荷载作用,当构件轴向变形特征明显时,还应计入高温引起的次内力。

　　 钢结构构件的升温是影响其火灾下力学性能的关键因素,钢结构耐火极限验算应首先进行钢结构构件升温计算。影响钢结构构件升温的因素有火灾环境、钢结构构件几何特征(形状、尺寸)、受火状态(受火面数量)、受火时长及其防火保护措施等。火灾环境主要指影响钢结构构件的火灾事件所造成的环境温度变化规律。在实际条件下火灾引起的环境温度变化主要由升温段和降温段组成,典型的建筑火灾升温曲线见图2,均可分为起火、蔓延、轰燃、持续燃烧和衰退五个阶段。在建筑钢结构防火设计中,通常不考虑与火灾衰退过程同步的环境温度下降段。火灾的严重程度与空间环境、灭火排烟方式、可燃物(火灾荷载)数量及堆放方式等因素有关,在实际情况下具有一定的随机性,目前评判结构或构件的耐火性能均是在规范给定的标准火灾升温环境下考虑的。

　　 根据钢结构防火规范,用于钢结构设计的常见室内火灾升温曲线主要有以纤维类物质为主的火灾升温曲线(ISO-834标准火灾曲线 ^[38]),以烃类物质为主的火灾升温曲线(又称碳氢升温曲线);此外,《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》(GB/T 26784—2011) ^[39]还提供了室外火灾曲线、缓慢升温曲线、电力火灾升温曲线、隧道火灾RABT-ZTV升温曲线;考虑到火灾的多样性和差异性,欧洲规范EN 1993-1-2 ^[35]中根据房间大小、通风条件和可燃物数量计算的参数火灾升温曲线可供参考。规范中给出可用于设计的常用火灾升温曲线见图3。需要注意的是,大空间建筑结构的真实火灾与普通室内火灾有一定差异,虽有不少相关理论研究成果,但当前尚无供工程设计使用的通用火灾模型,通常需要结合实际情况专门研究,但使用ISO-834标准火灾模型可以得到保守的分析结果。

　　 在建筑火灾中,基于对流传热和辐射传热,结构构件的温度随环境温度的升高而增长。当采用防火保护措施时,防火涂料或防火包封板材起到阻隔热的作用,避免结构或构件直接受火同时延缓受保护的结构或构件的升温过程,从而保护结构或构件不因材料性能在高温下的快速衰减而丧失承载力或退出工作并引起结构的局部或整体垮塌。钢结构的升温T_s受其质量密度ρ_s(ρ_s=7 850kg/m³)、比热c_s(c_s=600J/(kg·℃))、导热系数λ_s(λ_s=45W/(m·℃))的影响 ^[25],由于钢材的导热系数较大并且钢结构构件的壁厚较薄,钢结构构件内部与受火面相垂直方向的温差往往较小,通常可以认为其均匀升温;钢结构构件的形状、受火面数量、防火保护措施和受火时长t₀是影响其升温的主要因素。钢结构构件的受火表面积和截面体积的比F/V是反映构件受火面和几何尺寸对其升温影响的主要参数,而防火保护措施对升温的影响主要由其干膜厚度d_i、质量密度ρ_i、比热c_i和导热系数λ_i(或热阻R_i)等参数确定。

　　 以钢结构构件的升温为前提条件,继而可以验算钢结构构件在火灾作用下的承载力性能和耐火极限。钢材的力学性能如抗拉或抗压强度和刚度均随高温而衰退,同时轴向变形特征明显的钢结构构件由于其受热膨胀(线膨胀系数α_s)受到不同程度的约束还会产生显著的次内力;对于钢-混凝土组合结构构件,在火灾环境下其混凝土的力学性能(高温下混凝土的轴心抗压强度f_cT和弹性模量E_cT)也随温度的增加而衰退。开展温度-力学性能耦合计算即可得到钢结构构件承载力随温度或受火时间的下降规律。进行承载力验算时,通常假定常温下的荷载作用效应组合不随构件受火过程发生变化,则定义常温下的荷载作用效应组合(火灾荷载)与常温下结构构件的极限承载力比值为火灾荷载比R。在耐火极限验算时,当火灾下结构构件的承载力小于其火灾荷载或火灾荷载与高温下承载力的比R_T大于火灾荷载比R时,判定构件达到其耐火极限。根据钢结构构件的耐火极限及其对应的高温承载力和临界温度可判定构件耐火极限是否达到设计耐火极限,分别称为耐火极限法、承载力法和临界温度法(见2.2.5节)。

　　 对于大跨钢结构如桁架、网架等,由于结构中各钢结构构件的相互支撑约束关系较为复杂,且结构通常作为整体承受荷载作用,在火灾事件中几何、边界条件和荷载作用的非线性影响较为显著,因此基于构件耐火性能验算的钢结构防火设计方法无法反映结构整体在火灾作用下的性能表现,应根据结构重要性、结构类型和荷载特征等选用基于整体结构耐火的防火设计方法。

　　 鉴于实际工程中主要选用防火涂料为建筑钢结构防火保护措施,本节的内容主要基于国标钢结构防火规范和新版钢结构防火涂料规范两本规范及相关规范进行整理。

　　 钢结构防火规范中的强制性条文有4条,分别为第3.1.1,3.1.2,3.1.3,3.2.1条,其中第3.2.1明确规定钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计。这意味着以往只规定建筑耐火等级、构件耐火极限和防火涂料选型的简易设计方法不再适用。基于耐火承载力验算的钢结构防火设计由结构工程师承担,验算和设计成果不仅要反映在设计图纸上还需要以计算书的形式提供给消防主管部门或审图单位审核,并作为消防验收的依据之一。

　　 钢结构防火涂料规范中第5.1.5条、第5.2节和第7章为强制性条文。第5.1.5条分别规定了膨胀型和非膨胀型防火涂料涂层的最小施涂厚度;第5.2节规定了各类型防火涂料的性能要求,其中第5.2.3条中明确规定依据该规范基于标准钢梁的耐火试验结果(防火涂料涂层膜厚和构造措施)仅适用于同类型且截面系数更小的基材;第7章为产品检验规则的相关条文。

　　 由于钢结构耐火性能差的特性,通常情况下建筑钢结构必须采取防火保护措施。普通工业与民用建筑的耐火等级、构件耐火极限和材料的燃烧性能要求主要根据防火规范、国标钢结构防火规范、《建筑高度大于250米民用建筑防火设计加强性技术要求(试行)》 ^[2]和《住宅建筑规范》(GB 50368—2005) ^[3]等规范执行。建筑高度大于250m的民用建筑的构件耐火极限高于耐火等级为一级的建筑,例如将承重柱耐火极限提升到了4.0h、梁耐火极限提升到3.0h、楼板和屋顶承重构件耐火极限提升到2.5h;《农村防火规范》(GB 50039—2010)建议农村建筑的耐火等级不宜低于一、二级;并要求建筑耐火等级为四级的建筑,且应尽量采用不燃材料或难燃材料。

　　 由于大空间建筑结构在空间和可燃物布置、火灾特性等有一定特殊性,《体育建筑设计规范》(JGJ 31—2003) ^[4]专门针对体育建筑规定了耐火等级和特殊部位材料燃烧性能要求,规范中同时给出了承重钢结构构件不做防火保护的条件,如:1)室外观众看台上面的罩棚结构的金属构件;2)满足一定条件的比赛或训练部位的屋盖承重钢结构。除此以外,当特殊情况下考虑降低建筑耐火等级和结构耐火极限时,需由消防主管部门批准并经消防性能化专项论证确定。

　　 火灾时结构上可能同时存在的荷载(作用)通常为恒载、活载和风荷载。地震作用与火灾事件同步的概率相对较低,钢结构防火规范里不考虑地震作用的叠加,并规定火灾时结构上可能同时出现的荷载(作用),应按下列组合值中的最不利值确定:

　　 $\begin{array}{l}S{}_{\text{m}}=\gamma {}_{0\text{Τ}}(\gamma {}_{\text{G}}S{}_{\text{G}\text{k}}+S{}_{\text{Τ}\text{k}}+\text{ϕ}{}_{\text{i}}S{}_{\text{Q}\text{k}})(1)\\ S{}_{\text{m}}=\gamma {}_{0\text{Τ}}(\gamma {}_{\text{G}}S{}_{\text{G}\text{k}}+S{}_{\text{Τ}\text{k}}+\text{ϕ}{}_{\text{q}}S{}_{\text{Q}\text{k}}+\text{ϕ}{}_{\text{W}}S{}_{\text{W}\text{k}})(2)\end{array}$

　　 式中:S_m为荷载(作用)效应组合的设计值;S_Gk为按永久荷载标准值计算的荷载效应值;S_Tk为按火灾下结构的温度标准值计算的作用效应;S_Qk为按楼面或屋面活载标准值计算的荷载效应值;S_Wk为按风荷载标准值计算的荷载效应值;γ_0T为结构重要性系数;γ_G为永久荷载分项系数;ϕ_W,ϕ_i,ϕ_q分别为风荷载频遇值系数、楼面或屋面活荷载频遇值系数和准永久值系数。上述参数的取值见规范中所述。

　　 现行《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 31—2015) ^[40](简称高钢规)中也给出了钢结构梁柱和楼板抗火设计的相关条文,规定结构抗火验算时采用下式对荷载效应进行组合:

　　 $S=\gamma {}_{\text{G}}S{}_{\text{G}\text{k}}+{\displaystyle \sum _i\gamma }{}_{\text{Q}i}S{}_{\text{Q}\text{k}i}+\gamma {}_{\text{W}}S{}_{\text{W}\text{k}}+\gamma {}_{\text{F}}S{}_{\text{Τ}}(3)$

　　 式中各参数的含义见规范中所述。

　　 需要说明的是,对于受弯构件、拉弯构件和压弯构件等以弯曲形式为主的构件,可以不考虑热膨胀效应;虽然规范中提及对于轴心受拉、轴心受压等以轴向变形为主的构件应考虑热膨胀效应对内里的影响(即荷载作用组合中的S_Tk或S_T),但是由于实际工程中不同构件约束条件复杂且热膨胀效应的非线性现象明显,相关规范中均未明确给出基于构件的防火设计中如何简化计算热膨胀效应,如果按完全约束情况下的线膨胀计算,难以得到与实际情况相符的结果。当无法准确合理考虑轴向变形为主构件的热膨胀效应时,作为一种简化方法,高钢规中规定在荷载效应组合中不考虑温度内力时,对于在结构中受约束较大的构件应将计算所得的保护层厚度增加30%作为构件的保护层设计厚度。

　　 常用的钢结构防火保护措施主要有喷涂防火涂料、包覆防火板、包覆柔性毡状隔热材料或外包混凝土、金属网抹砂浆或砌筑气体。其中,喷涂或抹涂防火涂料是最为常见的防火保护方式之一。除防火砂浆外,传统的防火涂料可以分为非膨胀型(原厚型)和膨胀型(原薄型和超薄型)两种,另外按使用场所可以分为室内防火涂料和室外防火涂料,按分散介质分为水基性钢结构防火涂料和溶剂性钢结构防火涂料。

　　 根据防火涂料的分类,非膨胀型防火涂料主要是水泥基、石膏基并混和蛭石、膨胀珍珠岩颗粒等形成的无机材料,在火灾引起的高温下不发生发泡反应,主要依靠其自身的厚度形成防火隔热层;膨胀型防火涂料为树脂基料、膨胀剂、成炭剂、填料、颜料混合成的有机材料,在火灾引起的高温环境中材料发生膨胀反应,由常温下较薄但致密的涂层发泡为较厚的泡沫状防火隔热层。水基性钢结构防火涂料相比溶剂性性钢结构防火涂料,具有低排放和环保的特点,而室外防火涂料除与室内防火涂料共同的理化性能要求外,还具有耐曝热性、耐湿热性、耐冻融循环性、耐酸性、耐碱性、耐盐雾腐蚀性和耐紫外线辐射性等要求。

　　 对于非膨胀型防火涂料,由于其为无机材料,通过增加厚度可以实现对钢结构构件长达3.0h的防火保护,而膨胀型防火涂料由于其高温下的附着力衰退、膨胀发泡形成的疏松泡沫状防火隔热层的稳定性变差及其在高温下的烧蚀现象等原因,一般仅适用于耐火极限不超过2.0h的钢结构构件,钢结构防火涂料规范中对膨胀型防火涂料的分级代号也仅到2.0h。对于钢管混凝土组合结构构件,以工程应用为背景的研究成果证明采用膨胀型防火涂料涂层作为保护措施可以可靠地实现2.0～3.0h耐火极限 ^[41,42]。

　　 对于各种类型的防火涂料,为保证其施工、养护和使用阶段的可靠性、稳定性和耐久性,应适当采用加网构造进行涂层加固。对非膨胀型防火涂料和防火砂浆,可以采用镀锌铁丝网、钢丝网或玻璃纤维布;对于膨胀型防火涂料,可以采用玻璃纤维布,但应选择合适的网格尺寸以避免其对涂层受火时膨胀发泡的不利影响。

　　 基于与火灾引起的高温环境之间的对流和辐射换热可计算钢结构构件的升温。钢结构防火规范所提供的结构构件升温设计计算公式均是以ISO-834标准火灾曲线为基础的(式4),当工程设计所采用的实际火灾升温曲线不同于标准火灾曲线时,通常以基于火灾释放热量相等的原则转换为标准火灾升温环境下的等效爆火时间t_e来计算结构的耐火承载力极限状态并判别其耐火极限。除石油化工外的普通工业与民用建筑结构,其余建筑通常均基于标准火灾升温曲线开展结构构件耐火验算和防火设计,对于大空间建筑结构,当采用能反映实际火灾特性的升温曲线时需要进行专门研究。

　　 ${\rm T}{}_{\text{g}}-{\rm T}{}_{\text{g}0}=345\lg (8t+1)(4)$

　　 式中:t为受火时长;T_g0为初始环境温度;T_g为随时间升高的环境温度。

　　 对于ISO-834标准火灾升温曲线,采用轻质防火保护层且临界温度不高于700℃时钢结构构件的温度可按下式近似计算 ^[25,40]:

　　 ${\rm T}{}_{\text{s}}=\left(\sqrt[]{0.44+5.0\times 10{}^{-5}\alpha \frac{F{}_{\text{i}}}{V}}-0.2\right)t+{\rm T}{}_{\text{s}0}(5)$

　　 无保护和有保护的钢结构构件的温度也可以由下列迭代公式较为准确地计算:

　　 $\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{s}}=\alpha \frac{1}{\rho {}_{\text{s}}C{}_{\text{s}}}\frac{F}{V}({\rm T}{}_{\text{g}}-{\rm T}{}_{\text{s}})\text{Δ}t(6)$

　　 式中参数的取值参考规范 ^[25]。

　　 此外,国标钢结构防火规范第3.1.4条对钢结构防火设计文件给出了详细的要求:钢结构的防火设计文件应注明建筑的耐火等级、构件的设计耐火极限、构件的防火保护措施、防火材料的性能要求及设计指标。其中防火保护措施及防火材料的性能要求、设计指标包括:防火保护层的等效热阻R_i、防火保护材料的等效热传导系数λ_i、防火保护层的厚度d_i、防火保护的构造等。实际设计和施工过程中,当采用的防火保护材料的等效热传导系数与设计值不一致时,可基于等效热阻相等的原则进行施用厚度的换算。非膨胀型钢结构防火涂料涂层的等效热传导系数λ_i、涂层膜厚d_i和等效热阻R_i满足式(1)的关系;由于膨胀型钢结构防火涂料的等效热传导系数λ_i与防火保护层厚度有关,可直接根据等效热阻确定防火保护层施用厚度。非膨胀型防火涂料的等效热传导系数λ_i需要根据标准耐火试验实测升温曲线和试件的防火保护层厚度计算(式2),膨胀型防火涂料的等效热阻R_i需要根据标准耐火试验实测升温曲线计算(式3),式中参数见规范条文。

　　 $\begin{array}{l}R{}_{\text{i}}=\frac{d{}_{\text{i}}}{\lambda {}_{\text{i}}}(7)\\ \lambda {}_{\text{i}}=\frac{d{}_{\text{i}}}{\frac{5\times 10{}^{-5}}{\left(\frac{{\rm T}{}_{\text{s}}-{\rm T}{}_{\text{s}0}}{t{}_0}+0.2\right){}^2-0.044}\cdot \frac{F{}_{\text{i}}}{V}}(8)\\ R{}_{\text{i}}=\frac{5\times 10{}^{-5}}{\left(\frac{{\rm T}{}_{\text{s}}-{\rm T}{}_{\text{s}0}}{t{}_0}+0.2\right){}^2-0.044}\cdot \frac{F{}_{\text{i}}}{V}(9)\end{array}$

　　 由于当前防火材料种类和产品多样,确定防火材料的施用厚度仍然离不开试验数据的支撑。值得注意的是现行钢结构防火涂料规范所规定的耐火试验仅基于I36b(F/V=126m^-1)和HN400×200(F/V=161m^-1)两种标准钢梁开展。标准钢梁耐火试验实际以钢梁平均温度达到538℃为终止准则(该温度判别准,较以梁跨中挠度为判别准则更为严苛),且未明确规定在试验检测报告中提供钢梁实测升温数据,同时对I36b和HN400×200(计算跨度均为L₀=4.200m)进行标准钢梁耐火试验所施加的荷载比分别为0.840和0.716,其试验结果尚不足以覆盖实际工程中的钢结构构件类型、几何特性、荷载水平及其临界温度等参数。特别对膨胀型钢结构防火涂料,钢结构防火规范第5.3.3条规定应给出5个使用厚度的等效热阻供防火设计中确定涂层施用厚度时参考,鲜有产品能提供相关数据。为配合钢结构防火设计工作的开展,必要时可依据《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978—2008)设计耐火性能试验获取防火材料的性能参数。

　　 构件的耐火极限验算,主要基于构件在火灾下的升温及钢材(及组合结构中的混凝土材料)随高温的性能衰减,计算钢结构构件或者组合结构构件的承载力不足以抵抗外荷载作用的时长。基于结构耐火承载力极限状态验算后,判定构件耐火极限可采用三个指标:耐火极限、承载力和临界温度,具体方法如下:

　　 (1)耐火极限法。在设计荷载作用下,火灾下钢结构构件的实际耐火极限t_m不应小于其设计耐火极限t_d,并应按下式进行验算:

　　 $t{}_{\text{m}}\ge t{}_{\text{d}}(10)$

　　 (2)承载力法。在设计耐火极限时间内,火灾下钢结构构件的承载力设计值R_d不应小于其最不利的荷载(作用)组合效应设计值S_m,并应按下式进行验算:

　　 $R{}_{\text{d}}\ge S{}_{\text{m}}(11)$

　　 (3)临界温度法。在设计耐火极限时间内,火灾下钢结构构件的最高温度T_d不应高于其临界温度T_m,并应按下式进行验算:

　　 ${\rm T}{}_{\text{d}}\ge {\rm T}{}_{\text{m}}(12)$

　　 规范中给出了火灾下轴心受拉钢结构构件、轴心受压钢结构构件、偏心受压钢结构构件、单轴受弯钢结构构件、拉弯或压弯钢结构构件的强度和稳定性的计算判别公式,其形式与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[43]中常温下钢结构构件的设计计算公式相似,不同的是公式中所采用钢材设计强度值替换为了高温下的数据,并且稳定系数也与常温下的取值不同。

　　 除钢结构梁、柱等构件外,规范还给出了钢管混凝土耐火极限的计算方法及其采用非膨胀型防火涂料或防火砂浆时的膜厚计算方法、钢-混凝土组合梁的耐火极限计算方法。压型钢板组合楼板和其他规范未提及的钢结构、组合结构构件或特殊的节点构件尚应基于试验确定其耐火极限及防火保护设计。

　　 虽然国标钢结构防火规范已强调要求以钢结构结构耐火极限状态进行耐火验算和防火设计,在工程实践中开展结构防火设计并提供技术依据可以有下列两种方法:1)直接基于标准耐火试验(钢结构防火规范第3.2.6条);2)开展耐火承载力极限状态验算。其中,基于结构构件或相应的缩尺模型开展耐火极限试验,能够非常直观地判定结构构件及其防火保护措施的采用是否使目标构件达到耐火极限的要求;但采用试验方法时试件设计、荷载施加等过程较为专业和繁琐,火灾试验耗费耗时;且专门的耐火试验针对性强主要用于个别工程项目中的特殊结构或构件,当结构构件和防火保护措施的构造发生变化、构件形状及几何尺寸变化、边界条件和荷载条件变化、防火材料类型和产品型号变化等情况都使得特定的试验数据适用范围受限。开展耐火验算是更为有效和便捷的防火设计方法,该方法仍然依赖基于标准钢梁的火灾试验 ^[23],并结合少量参数包络的典型结构构件火灾试验以获取防火材料性能指标。

　　 钢结构的防火设计有基于整体结构耐火验算和基于构件耐火验算两种防火设计方法,国标钢结构防火规范中列出的大跨结构(跨度不小于60m,宜采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法;预应力钢结构和跨度不小于120m,应采用基于整体结构耐火验算的防火设计方法)外,大多数的建筑钢结构构件都符合采用基于构件耐火验算的防火设计方法。基于整体结构的耐火验算当前尚无成熟的通用结构设计软件可以实现,往往需要借助通用有限元程序开展专门的火灾分析、传热分析和耐火性能分析,基于构件耐火承载力极限状态验算的防火设计方法基本流程为:1)确定建筑结构的耐火等级和各类型构件的耐火极限;2)选定验算构件对象;3)确定火灾条件下构件对象上的荷载作用,也称为火灾荷载(作用),并且确定受火的形式(单面、双面、三面、四面);4)根据国标钢结构防火规范式(6.2.1)、式(3.2.6),验算无保护的验算对象在标准火灾升温环境下的耐火极限,如能够达到构件耐火等级的要求则无需设计防火保护措施,如无保护的验算构件对象的耐火极限达不到构件耐火等级的要求,则应设计防火保护措施,选择适合的防火保护材料并确定构造形式;5)根据国标钢结构防火规范式(6.2.2)、式(3.2.6),验算有保护的验算构件对象的耐火极限,不满足要求则调整防火保护措施的设计继续验算,如有保护的验算构件对象的耐火极限达到了构件耐火等级的要求,则可确定所设计的构件防火保护措施。上述流程中需要注意结构构件或其构造对结构防火的合理性,如果存在对防火不利或不合理的结构构件或构造形式,宜对结构构件进行适当的调整。基于构件验算的防火设计基本流程如图4所示。图4中未详尽的公式和符号详见国标钢结构防火规范。

　　 由于结构构件形式、截面类型、尺寸和荷载水平各不相同,各构件的耐火性能和所需防火保护的差异较大,而防火保护措施特别是采用防护涂料时对逐根构件进行差异化设计显然会给施工和验收带来极大不便。因此,开展钢结构防火设计并采取防火保护措施应尽可能取包络结果以降低结构防火工程的难度。对所有需要保护的钢结构构件,既可以归并主要类型(构件类型、截面形状等)进行逐构件遍历计算后分别按包络结果采取防火保护措施,也可以按主要类型选取典型构件(取几何尺寸、F/V和荷载比等参数包络值),开展耐火验算和防火设计,前种方法所得的结果经济性优越,但计算工作量较大。

　　 由于以国标钢结构防火规范和新版钢结构防火涂料规范为主的新规范实行或升版,建筑钢结构防火设计迎来了较大的变化,由较为粗糙的基于说明性要求的设计方法提升到基于结构耐火承载力极限状态验算的防火设计方法。如此巨大的变化下,一方面由于结构设计师对结构防火设计的熟悉程度不足,在开展相应设计计算中面临着一定的挑战;另一方面由于我国长期以来开展防火材料相关耐火试验的规模仍然较为有限,材料规范和检测要求、设计规范之间仍然缺乏一些衔接,同时实际工程项目情况各异,导致钢结构防火设计过程中在既有试验数据的条件下严格执行规范条文有一定的困难。总结起来,主要有以下几个方面值得注意:

　　 (1)除特殊情况外,普通工业与民用建筑钢结构防火设计应基于ISO-834标准火灾升温曲线开展,采用非标准火灾升温曲线或开展消防性能化设计应通过专项论证并获得消防主管部门认可。

　　 (2)对于大空间建筑结构,基于整体结构耐火验算的防火设计方法需要结合建筑防火分区并选取最不利火灾场景进行验算,同时应考虑结构的热膨胀效应、结构材料性能的高温影响和结构非线性的影响,当前尚缺乏相关通用结构设计软件,应结合通用有限元分析程序开展计算分析,必要时还需要采用FDS软件进行大空间火场分析。

　　 (3)以确定防火涂层或其它防火材料的施用厚度为目的时,基于整体结构耐火验算和构件耐火验算的防火设计方法中均需要材料的性能参数,特别是等效热传导系数或等效热阻,当采用非轻质防火材料时还需要知道材料的密度和比热。非膨胀型涂料的物理热工特性相对较为稳定,基于标准钢梁试验耐火试验的结果可供设计计算参考;对于膨胀型防火涂料,由于材料的等效热阻与构件几何特征、涂层膜厚和受火状态、受火时长等因素有直接关系,既有的标准钢梁耐火试验数据对设计计算的参考价值有限;而非轻质防火材料在高温下的比热与等效热传导系数等参数目前尚普遍缺乏参考数据。

　　 (4)由于国标钢结构防火规范中明确了结构构件的截面系数、荷载水平等为影响其升温和耐火极限的主要因素,并且对防火涂料基于标准钢梁耐火试验数据的适用范围根据截面系数进行了限制。由于实际工程中构件截面种类、几何尺寸、荷载水平等多样,而既有的标准钢梁耐火试验的参数范围较为单一无法覆盖实际情况,因此合理且丰富的材料试验数据的缺乏是制约基于耐火验算的建筑钢结构防火设计的主要因素之一。

　　 (5)要做到建筑钢结构防火设计的合理有效,不仅要关注防火保护措施的选型、构造还要留意防火材料及其构造的可靠性和耐久性,应明确加网等防火涂料涂层构造加固措施;虽然膨胀型防火涂料因涂层薄、施工方便、美观等因素受到建筑师的青睐,仍应考虑其耐火性能有限、耐久性等因素而谨慎使用。

　　 (6)非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料均存在耐久性问题,对非膨胀性涂料而言主要反映在强度低、附着力差、易空鼓或脱落等方面;而膨胀型涂料主要反映在其主要有机组分的亲水性上,特别在潮湿、没有配套施涂合理面漆的情况下,其耐火性能(主要是膨胀发泡能力)会逐步降低。因此,防火涂料的定期检测、维护和修补是保证建筑钢结构防火性能的有效手段,在设计时有必要进行合理的考虑。

　　 (7)特别对膨胀型防火涂料涂层,防火涂料与防腐配套(底漆和中间漆)之间的兼容性是影响其施工质量、防火性能和耐久性能的关键因素。当兼容性不符合要求时,容易出现涂层起皮或水性涂料的闪锈等施工质量问题,同时也会影响涂层在高温下的附着力,设计时应提出相关要求。

　　 结合建筑钢结构防火设计相关新规范的施行和设计计算要求,本文对建筑防火设计相关的规范和基于结构耐火承载力极限状态验算的钢结构防火设计方法进行基本了介绍,并重点介绍了基于耐火验算的钢结构防火设计流程和设计要点。