钢结构防火研究及应用现状

陈　杰

（甘肃省消防总队白银市公安消防支队靖远县大队，甘肃　白银）

摘要：通过统计数据说明钢结构在建筑火灾中存在的严重火灾危害性，从理论上阐述钢结构在高温下性能的变化规律及机理，表明钢结构在火灾中的突出性问题。综述了当前较为常见的钢结构防火方法及应用措施，分析了国内外防火性能化设计研究现状和国内外钢结构防火涂料研究现状，并讨论分析了各自的优劣差异，最后提出钢结构防火技术的展望。

关键词：钢结构；防火性能化设计；火灾；防火涂料

1　引言

火的使用作为人类生存与文明发展的重要进步，是人类的生活与生产中必不可少的。但火的在失去控制或者非正常使用下，即会酿成火灾。随着社会文明的高速发展，城市人口聚集程度的进一步提高，商业及工业集成化的增加，使得火灾成为了最具危害的毁灭性灾难。表1显示了2008～2012年全国火灾情况的统计数据，可以看出火灾每年所造成的巨大生命财产的损失。与此同时，从2007年到2012年中，火灾所造成的经济损失有明显生长趋势，这个趋势与当前社会城市化发展进程有着一定的关系。

随着城市化及工业化进程的进一步进行，城市建筑和工业建筑偏向集中化、多元化及复杂化。因此，一旦火灾在这些集成化程度较高的区域发生，很容易出现大面积蔓延，从而引发更大的火灾。特别是现代建筑为了适应当前社会的发展需要，大量选用钢结构空间设计，由于钢结构的强度高、载荷密度大、建成效率快，但钢结构在火灾中却存在着天然一些突出性问题，如耐火性、高温下钢结构的软化效应、局部变形即会导致整体结构坍塌等。因此，对于钢结构防火研究显得具有重大的实际应用意义。

2　钢结构防火的突出性问题分析

大空间钢结构主要应用于多功能体育场馆、会议展览中心、博物馆、机场、影剧院、大型购物广场、工业厂房及仓储设施等，是当今大型公共建筑及工业建筑最主要的结构形式之一。随着大型世界活动在我国的胜利召开，如奥运会、世博会等，进一步推动了大型空间结构的诞生与发展。作为大型空间结构主要承重构件钢材，其在火灾下的相关行为直接影响着火灾的严重程度。钢材在火灾中的突出性问题主要有两点：耐火性差及火灾中的传热速率快。

2.1　钢的耐火性

钢材本身并非属于可燃性材料，但是作为金属材料在火灾的高温作用下，其力学性能会出现急剧变化，这些变化常常引起灾难性后果。常用的建筑用钢在高温下其屈服强度、弹性模量等随着温度升高而降低。钢在高温下的相关力学性能的变化如图1所示。

从图1（b）所示，随着温度的升高钢的屈服强度及极限强度都明显下降。这是由于温度高于250～300℃后，钢在应力作用下会出现“塑性流变”，这是应力与温度的合力作用效果，尽管该“流变”效果不会很明显，但随着时间的累积就会出现宏观塑性变形，即结构变形，从而改变整个钢结构的应力分布，导致结构整体形变或坍塌。

2.2　钢在火灾中的传热速率

火灾的发生通常与救火之间存在着时间和空间差，即需要建筑结构能在高温下经受一定的时间累积。作为传统金属材料的钢，本身所具备着良好的导热效果（相对于其他建筑材料，如混凝土、陶瓷及砖等），因此，在火灾中高温很快的通过着火点构件钢结构传导给整体结构，从而对整个钢结构造成严重威胁。

3　钢结构防火研究现状

综上所述，钢结构在火灾的所表现出的突出性问题是无法通过其材料本身来解决的。因此，根据我国现行《建筑设计防火规范》相关规定，必须进行防火保护，规范中还对内部防火分区的设置进行了详细规定。对于此类结构，在防火中存在着较多的困扰：一方面常常由于建筑美学或使用功能的要求，很难依据现行防火规范进行防火分区和防火分隔，加上结构体系较为复杂，大量受力构件无法采用传统的包裹或涂料方法进行防火保护。另一方面，内部空间温度场的分布也与传统的标准升温曲线有很大的差别，其对结构火灾下的整体性能影响也很难按现行规范进行确定。

尽管这些规范对建筑过程中的相关安全问题进行了限定，但由于实际工业、生活及美学要求下，很难具体的按照规范实施，同时，这些规范也无法满足实际应用中的防火要求。从当前国内外的发展经验来看，对钢结构进行防火保护是势在必行，也是较为科学可行的实际应用方法。

3.1　国内外防火性能化设计研究现状

性能化防火设计是建立在更加理性条件上的全新的设计方法。它不是根据确定的、一成不变的模式进行设计，而是运用消防安全工程学的原理和方法首先制定整个防火系统应该达到的性能目标，并针对各类建筑物的实际状态，应用所有可能的方法对建筑的火灾危险和将导致的后果进行定性、定量的预测与评估，以期得到最佳的防火设计方案和最好的防火保护。从结构耐火性能来看，一般设置的基本安全目标包括：某些部位构件或子结构及结构整体在火灾发生后的一定时间内不能坍塌，以保证建筑内的人员有足够时间逃生，并使消防人员有足够时间灭火。

3.1.1　国内研究现状

我国从1995年的国家“九五”科技攻关项目“地下大型商场火灾研究”才开始关注建筑物的性能化防火设计，2000年国家“十五”科技攻关项目“重大工业事故与城市火灾防范及应急技术的研究”之后，性能化设计开始得到了较快发展。我国的国家结构防火规范《钢结构防火技术规程》已于2004年8月完成了征求意见稿，对钢结构的防火计算和设计方法根据现有研究成果进行了总结。值得一提的是，其对于大空间结构的内部温度场计算给出了简化计算公式，便于对传热学不太熟悉的结构设计人员采用。这说明我国目前已对大空间结构火灾下的性能开始了研究工作，不过力学分析与相关设计方法还主要集中在框架结构，大空间结构还没有涉及。针对实际运用研究也受到一定的关注，如有部分学者已对一些具有特定用途的大空间结构，如工业厂房等进行研究，并提出了实用计算方法。如北京新保利大厦、中青旅大厦和首都机场T3号航站楼等。在防火设计中，均根据计算得到的火灾过程中空间温度场的分布情况，首先确定出无需施加防火保护的构件，如新保利大厦集束钢缆、中青旅大厦中庭采光钢结构、首都机场T3号航站楼屋面结构等均不需要施加防火保护。

尽管我国对于大空间结构防火性能化设计已经取得了一定的进展，但仍然存在着不少问题。如：结构设计与消防管理相关部门还没有充分认识到其重要性，重视不够，经费投入严重不足，从事其研究的科研单位也较少。消防部门还是习惯直接对照现行防火规范，对于“超限”的大型建筑，则多采用专家评审的方式解决，由于这种方法往往依赖于个人经验，远不如采用性能化方法科学性高，设计人员也应更新观念，理解和学习性能化设计的方法。我国目前已有的性能化设计理论主要是借鉴国外先进经验和研究成果，原创性成果很少。

3.1.2　国外研究现状

国外的相关研究进行较早。英国早在1985年就已将性能化设计方法作为可供选择的防火设计方法，欧洲规范也有详细的结构防火相关规程。此外，美国、日本、新西兰等国也相继颁布了引入性能化方法的防火规范。国外在多年的结构抗火研究工作中，已对钢结构在火灾下的性能进行了大量试验和数值模拟分析，其中最为著名的是在英国进行的卡丁顿（Cardington）火灾试验（图2）。此次试验对一座8层的钢框架结构进行了六个规模不断扩大的燃烧试验，最大一次燃烧面积达340m2，是世界上最大的火灾试验，其影响很大，国际上大量研究都是结合这次试验数据所开展，并制定了相关的安全准则，较为成熟的结论与分析结果也已逐步反映在英国和欧洲的防火规范中。国际上也已有不少大空间建筑采用了防火性能化设计方法，如悉尼2000年奥运会主体育场等。

当前，国内对空间钢结构防火性能化设计的研究依然存在很多问题：一是应用到实际的工程项目偏少，通常只应用到结构复杂、重要性等级较高，且现行的防火规范不能涵盖的工程，，一般都是国外公司承担设计；二是现行工程设计中所采用的计算模型简单，通常都是将复杂模型进行简化处理，无法定量的计算分析，因此，优化计算模型是防火性能化设计所需要解决关键性科学问题。

3.2　国内外钢结构防火涂料研究现状

钢结构的防火中应用较为普遍、使用效果较好、造价较为低廉的方法就是采用喷涂防火涂料来实施防火，防火涂料的研究与应用都取得了较好的成果。钢结构防火涂料的分类可采用不同的方法。从其所用的溶剂来分，可分为溶剂型和水基型防火涂料；从其防火机理来分，可分为膨胀型和非膨胀型防火涂料；根据其使用的喷涂厚度及应用范围，可分为厚涂型、薄涂型和超薄型钢结构防火涂料。

3.2.1　防火涂料的防火机理

燃烧必须同时具备3个条件：可燃物质、助燃剂（如空气、氧气、氧化剂等）和热源。要阻止燃烧的进行，只要消除其中一个因素即可。厚涂型钢结构防火涂料阻燃机理如下：一是涂料本身受热分解出不支持燃烧的气体，以此来完成灭火；二是涂料中的低熔点材料受热熔化后附着在钢材表面，阻止了钢材进一步受热；三是涂料受热分解后的产物可以降低钢表面的热传导速率，从而提高钢材的耐热性。膨胀型钢结构防火涂料除具有厚涂型钢结构防火涂料的阻燃特点外，在高温或火焰作用下，涂层剧烈发泡炭化，形成一个比原涂层厚几十倍乃至几百倍的难燃性海绵状炭质层，这层炭质层的形成对防火有着重要贡献。肖新颜等采用TG和DTA研究证实上述膨胀炭质层的阻燃机理。

3.2.2　厚涂型钢结构防火涂料

厚涂型钢结构防火涂料：是指涂层厚度在8～50mm，在火灾中不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，其耐火极限可达0.5～3h的涂料，又叫钢结构防火隔热喷涂涂料。通常采用喷涂施工，多应用在要求耐火极限2h以上的室内钢结构上。国内有SD-2型和TN-LG型钢结构防火涂料，国外有英国的UK-6型和美国的AD型钢结构防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料具有密度小、热导率低、黏结力强、不腐蚀钢材等特点，特别适于超高层钢结构建筑物的防火保护要求。其缺点是：涂层厚、表面粗糙、外观装饰性较差、不适用于裸露钢结构的涂装与保护。

薄涂型钢结构防火涂料：涂层厚度在3～7mm，受火灾时能膨胀发泡，形成耐火隔热层，以延缓钢材的温升。该类涂料又可分为底层（隔热层）和面层（装饰层），其装饰性比厚涂型涂料好，采用喷涂施工，一般使用在要求耐火极限不超过2h的建筑钢结构上。如国内的SD-1型和LB型，涂层厚度分别为5.3mm和7.4mm时，耐火极限分别为1.62h和2.05h。薄涂型钢结构防火涂料具有涂层薄，黏结力强，抗振、抗弯性好，易施工，操作简便等优点，特别适用于体育馆和工业厂房等裸露钢结构。该种涂料在满足防火性能的要求之外，还有较好的装饰效果。公安部四川消防科研所研制的SCB型和SCA型超薄膨胀型钢结构防火涂料，涂层厚度分别为2.69mm和1.6mm，耐火极限分别为147min和63min；德国Herberts公司的WaterBased-38320型钢结构防火涂料，涂层厚度2.63mm，耐火极限63min。

4　钢结构防火发展趋势

随着社会的进一步发展，建筑中的钢结构将承担力学性能与装饰性双重性能要求，这也将催生适合这两者共同需求的防火涂料的研究与开发。基于当前应用较为广泛的防火涂料，未来防火涂料的发展将主要偏向于更薄、耐火性更高、环保、新材料及纳米化。随着社会发展的，人们对生活质量要求的提高，更薄的防火涂料有助于美化建筑外观；其次，钢结构需要承担更大力学载荷，因此，其必须有更高的耐火性能；环境保护将是21世纪的重要任务，防火涂料的生产及使用必须环保；新材料的开发将有助于突破当前防火机理的限制，为钢结构防火提供更新的指导。

参考文献

[1] 公安部消防局. 2014年中国火灾年年鉴[M]. 昆明：云南人民出版社，2014.

[2] 石永久. 大空间结构防火性能化设计方法研究[J]. 空间结构，2005，11（4）：16-20.

[3] 李颖清. 钢结构防火的意义及其防火保护措施[J]. 河南科学，2002，20（2）：174-178.