摘要：钢结构由于耐火性能差，因此必须进行抗火设计。介绍了钢结构抗火设计存在的问题以及抗火设计方法，并列举了一些具体的钢结构防火措施。
关键词：火灾；钢结构；抗火；设计方法
1.火灾对钢结构的危害
钢材虽具有强度高、重量轻、材质均匀等许多优点，但有一个致命的缺点──不耐火。钢材抵抗高温的能力非常有限，在火灾高温作用下，其力学性能会随温度的升高而降低，变形会不断增大，在200℃以内时，其性能没有很大变化，430℃~540℃之间则强度急剧下降，600℃时强度很低，不能承担荷载。最近几年，建筑行业发展迅速，因此，我国的建筑行业的火灾形势也相对来说比较严峻，全国范围内发生了多起特大的火灾，并且造成了非常严重的影响。例如：2008年7月27日，济南奥体中心发生火灾，过火面积达3000m³。2009年2月9日，中央电视台文化中心发生特大火灾，导致多人受伤，直接经济损失达1.6亿元。
2.建筑抗火性能化设计存在的问题
在现在的钢结构建筑物的设计中，设计人员和业主为了让建筑物满足有关的防火规范的要求，经常会在建筑物的内部结构、外部美观性、建筑结构技术创新等方面作出不该有的让步，甚至有的情况下已经严重影响了建筑物的许多使用功能。旧式防火规范的修订周期过长，技术水平滞后于行业新技术、新产品的发展。非常不利于建筑行业的新技术、新材料的普及以及行业标准的推广，并且还在很大程度上限制了建筑设计人员应用新技术、使用新材料和利用新方法的创新空间。由于我国幅员辽阔，因此各个地区之间的社会风俗文化、经济发展水平有着非常大的差异，所以仅仅依靠旧的方式防火规范就很难成功的解决各种实际问题。防火设计方案不但要针对具体问题进行具体分析，还要符合基本的建筑规范。建筑中要具有火灾探测器、安装自动水喷淋头以及防火卷帘等，尽量防止建筑中存在可燃物、建造一个没有火灾危险性的地方，从而减少资源的浪费。
3.结构抗火设计方法
确定结构抗火能力的方式一般有两种：一种方法是通过试验来确定，另一种方法就是通过理论计算来确定。最初人们一般通过试验来确定结构抗火承载力和耐火时间。大约在上世纪六十年代末到八十年代初的二十年时间，国外在通过理论分析和计算确定结构构件的力学性能和热力学性能方面取得了很大的进展。日本、德国、瑞典、比利时、加拿大等国家也先后建立了各自的结构防火设计规范。但是由于结构受火时工作情况的复杂性，这些方法还较少直接应用到工程实践中。近年来，国内外对结构抗火的研究主要集中在如何预测整个结构在真实火灾情况下的结构反应方面，以达到用理论分析预测代替试验来确定结构抗火能力的目的，节约花在试验上的费用。
目前，抗火设计方法的发展分为四个阶段：
（1）基于试验的构件抗火设计方法
这种方法以试验为设计依据，通过进行不同类型构件（梁和柱）在规定荷载分布与标准升温条件下的耐火试验，确定在采取不同防火措施（如防火涂料）后构件的耐火时间。通过进行一系列的试验可确定各种防火措施相应的构件耐火时间。进行结构抗火设计时，可根据构件的耐火时间要求，直接选取对应的防火保护措施。目前我国现行《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）关于钢梁和钢柱防火措施要求正是基于这种方法。这种方法的缺陷是试验费用昂贵，且试验构件的荷载大小、分布及约束情况与实际构件不能完全相同。
（2）基于计算的构件抗火设计方法
为了解决基于试验的构件抗火设计方法存在的问题，钢结构构件抗火计算理论研究引起了很多研究者的重视，开展了大量研究。理论研究以有限元为主，也有的采用经典解析分析方法，基本建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家（组织）的钢结构设计规范采用。上海市已经编制的我国第一部钢结构抗火设计标准——《建筑钢结构防火技术规程》（DG/T08-008-2000）中也采用了这种方法。
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（3）基于计算的结构抗火设计方法
结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。
（4）考虑火灾随机性的结构抗火设计方法
现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。
4.钢结构防火的具体措施
要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落，其措施是多种多样的，关键是要根据不同情况采取不同方法，如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。但无论采取何种方法，其原理是一致的。下面介绍几种不同钢结构的防火保护措施。
（1）在钢结构外表增加外包层
现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。
（2）空心型钢结构内充水
这是抵御火灾最有效的防护措施，这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度、水在钢结构内循环、吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环、或由管道引入凉水来取代受热的水。
（3）添加膨胀材料。
采用钢结构防火涂料保护构件，这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点，一般不需要添加辅助设施，且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用，属于现代的先进防火技术措施。
目前，高层钢结构建筑日趋增多，尤其是一些超高层建筑，采用钢结构材料更为广泛。高层建筑一旦发生火灾事故，火不是在短时间内就能扑灭的，这就要求我们在建筑设计时，加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限，并在建筑内部制订必要的应急方案，以减少人员伤亡和财产损失。
（4）屏蔽
钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的方式方法。
5.结语
提高钢结构的抗火性能是当务之急。在实际的钢结构抗火设计中，要根据建筑的实际结构特点来进行设计，采取合理的设计理念、优质的材料进行有效的搭配，从根本上提升钢结构的抗火能力，为人们的生命财产安全提供重要保障。
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[4]罗永峰，任楚超，强旭红.高强钢结构抗火研究进展[N].天津大学学报，2016，S1：101-102
论文作者:袁博
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：钢结构论文; 结构论文; 火灾论文; 构件论文; 方法论文; 建筑论文; 耐火论文; 《基层建设》2019年第13期论文;