钢结构建筑抗火性能优化与防火结构设计技术探究
合肥上华工程设计有限公司 陈红薇

摘要：钢结构建筑由于自重轻、强度高、跨度大、施工周期短、绿色环保等特点，在大型厂房、场馆建筑、高层建筑和装配式建筑中得到广泛应用，是现代建筑工业化的主要结构形式。但是钢材高温力学性能稳定性差的固有缺陷，造成钢结构建筑耐火极限低、高温变形大、整体失稳风险高，火灾安全隐患大，严重阻碍了钢结构建筑的安全使用和长期发展。为了有效地解决钢结构建筑火灾安全问题，提高钢结构建筑整体的抗火能力，本文对钢材高温力学性能退化规律和钢结构火灾破坏机理进行了系统的分析，对目前钢结构防火设计和抗火防护存在的问题进行了梳理，探究了钢结构建筑抗火性能优化策略和核心防火结构设计技术，为钢结构建筑防火工程的设计、施工、运维提供理论依据和实践参考。

关键词：钢结构建筑；抗火性能优化；防火结构；设计技术

引言

近几年来，伴随着我国建筑行业的工业化进程不断加快，钢结构凭借强度高、自重轻、抗震性能好、施工周期短、绿色可回收等特点，在大跨度公共建筑、超高层住宅、工业厂房等工程中得到了越来越广泛的使用，钢结构建筑占比越来越高，已经成为我国建筑行业重要的发展方向之一。但是钢结构材料本身存在明显的不足，它的力学性能对温度变化非常敏感，在建筑遭遇火灾的时候，火场温度一般可以达到800℃~1200℃，高温环境下钢材的屈服强度、弹性模量会迅速下降，承载能力大幅降低，如果缺少合理的防火保护，钢结构构件会在很短的时间内发生变形甚至倒塌，不仅会造成巨大的经济损失，还会给人员的生命安全带来极大的危险，钢结构防火也因此成为了行业研究的重点技术问题。在这样的背景之下，对钢结构建筑抗火性能的优化途径进行深入研究，总结出科学的防火结构设计技术，对于提高钢结构建筑的火灾安全性能，促进钢结构行业的健康快速发展有着十分重要的现实意义，本文主要从相关问题入手进行分析。

1当前钢结构建筑防火设计与抗火防护现存问题

1.1设计理念滞后，体系化优化不足

目前大多数钢结构防火设计还存在着被动防护为主的观念，把结构优化作为次要的考虑因素，缺少整体抗火设计的思想。设计人员大多只重视防火涂料、防火板材等表层防护的设计，而忽略结构体系、构件截面、节点构造、受力路径的源头优化，把防火设计当作表层防护施工，没有从结构力学的角度提高建筑固有的抗火性能。设计同质化现象严重，没有根据建筑的功能、使用场景、荷载情况、火灾危险等级进行差异化设计，工业厂房、公共场馆、住宅钢结构的防火设计方案趋同，高火灾危险建筑抗火储备不足，低火灾危险建筑防护过量，造成资源浪费。

1.2构件与节点设计不合理，抗火薄弱点突出

构件截面设计不合理属于影响钢结构抗火性能的主要因素。部分工程为了控制造价、减小构件自重，使用薄壁、小惯性矩截面型钢，构件热容量小、升温快，高温时容易发生屈曲失稳，抗火稳定性差。钢结构节点构造普遍存在着短板，大部分工程节点焊缝密集、螺栓排列繁杂、应力集中严重，节点部位凹凸不平，防火涂料喷涂厚度不均、容易出现漏涂、空鼓、脱落等问题，防火保护层完整性难以保证，是结构抗火的主要薄弱环节。另外，梁柱连接、支座节点、桁架拼接节点等关键部位缺少专项抗火构造设计，在高温作用下节点受力性能迅速下降，很容易造成结构连锁破坏。

1.3防火防护技术单一，适配性与耐久性差

目前我国钢结构防火防护以喷涂防火涂料为主，防护模式单一固化，存在诸多应用短板。超薄型防火涂料厚度小、美观，耐高温极限低、耐久性差，长期使用易老化、开裂、脱落，不能适应高温、潮湿、腐蚀的工业建筑环境；厚型防火涂料耐火极限高，自重大、粘结性一般，施工质量控制难度大，容易产生脱落隐患。大多数工程只使用单一的涂料防护方式，没有结合防火包覆、防火隔断、通风隔热等复合防护技术，对于大跨度钢结构、异形钢结构、高空构件的适应性较差。另外部分施工现场防火涂料施工工艺不规范，基层处理不到位、喷涂厚度不够、养护时间不足，造成防火保护层实际性能达不到设计标准，大大降低了结构的实际耐火极限。

2钢结构建筑抗火性能优化核心策略

2.1整体结构体系优化，提升固有抗火能力

钢结构抗火性能优化要从整体结构体系出发，从结构本身提高抗火稳定性，抛弃只依靠表面防护的被动方式。根据建筑功能、跨度、荷载等级和火灾风险等级，选择刚度均匀、受力合理、冗余度高的结构体系，优先选用钢框架支撑体系、钢-混凝土组合结构体系，替代纯钢框架柔性结构，增加结构超静定次数，提高火灾工况下内力重分配能力，防止局部构件失效造成整体坍塌。对大跨度场馆、桁架结构进行结构受力路径的优化，减小关键承重构件的应力水平，提高结构高温受力储备。合理划分结构防火分区，用防火隔墙、防火板材、封堵材料阻断火势和高温烟气的蔓延，减小高温区域的覆盖面积，控制结构整体升温速度。经过体系优化之后，钢结构自身就具备了较强的高温承载和变形抵抗能力，从根源上提高了建筑的整体抗火性能。

2.2构件截面优化设计，延缓高温性能退化

构件截面形态直接影响钢结构的升温速率、热容量和高温稳定性，是抗火性能改善的重要部分。设计时不能只考虑薄壁轻量化的设计思路，要兼顾承载力、经济性、抗火性，优先采用宽翼缘、厚壁H型钢、箱型截面、圆管截面等热容量大、惯性矩大、升温均匀的截面形式，增大构件热惰性，减缓构件整体升温速度，减缓力学性能退化速率。对轴心受压钢构件来说，优化截面惯性矩和回转半径来提高高温时构件的整体稳定承载力，防止局部屈曲破坏；对受弯钢梁来说，加大截面高度和翼缘宽度，提高高温抗弯刚度和变形抵抗能力，减小高温下垂度。同时对构件的细部构造进行优化，去掉多余的凹槽、尖角、薄壁突出部位，保证构件受热均匀，防止局部高温应力集中。对关键承重构件适当增大截面尺寸、增加构件壁厚，留出足够的抗火安全储备，提高构件的耐火稳定性。

2.3节点构造专项优化，消除抗火薄弱隐患

节点是钢结构抗火的薄弱环节，节点构造优化是提高钢结构整体抗火性能的关键。首先对简化节点构造形式进行优化，改善梁柱连接、桁架拼接、支座连接节点的设计，减少焊缝数量，避免螺栓过于密集，减小节点应力集中程度，降低热量堆积区，保证节点受热均匀。其次，升级节点抗火构造，在重要的节点上增设加劲板、补强板来提高节点的高温刚度和承载力，防止高温下节点开裂、脱开。对于外露式节点，改善节点包覆设计，用防火板材整体包覆加防火涂料加厚喷涂的方式，解决节点凹凸不平、防护盲区多的问题。并且改进节点的伸缩、变形构造，留有高温变形的余量，减小温度应力对节点造成的破坏，防止高温变形引起的节点损伤。另外严格控制节点施工质量，规范焊缝焊接工艺、螺栓紧固标准，消除施工缺陷造成的抗火短板，保证节点耐火性能不低于主体构件，实现构件与节点同步抗火。

2.4新型防火材料应用，构建复合防护体系

依靠新型防火材料、复合防护技术取代传统的单一涂料防护方式，使钢结构的防火防护更稳定、耐久、具有更强的适应性。根据不同的建筑场景和构件类型，对防火防护材料及工艺进行差异化的选择，室内美观性要求高的建筑使用环保型超薄型膨胀防火涂料，在高温时可以膨胀形成致密隔热炭化层，有效地阻止了热量的传递，具有耐火和装饰的功能；工业厂房、潮湿腐蚀环境建筑，使用厚型无机防火涂料、防火砂浆，具有耐高温、耐腐蚀、抗老化的特点，耐火极限可达2h以上；高空、异形、易磕碰构件，采用防火板材包覆、防火岩棉填充的复合防护方式，防护稳定性更好，不容易脱落破损。推广应用纳米改性防火涂料、阻燃防腐一体化新材料，提高防火材料的附着力、耐高温性、耐久性，解决传统涂料老化、开裂、脱落的问题。利用各种防火材料和防护工艺的综合使用来形成多层次、复合型的防火防护体系，提高钢结构的耐火极限。

3钢结构建筑核心防火结构设计关键技术

3.1钢结构防火保护层设计技术

防火保护层是钢结构被动防火的主要载体，防火保护层的厚度、材质、施工工艺直接影响构件耐火极限。设计时要按照构件受力种类、耐火等级、使用环境，准确算出保护层厚度，严格按照规范标准做差异化设计。钢梁、钢柱等主要承重构件，按照耐火极限要求选择对应的防护体系，耐火极限1.5h以下的构件用超薄型防火涂料，涂层厚度控制在1～3mm；耐火极限2h以上的承重构件用厚型防火涂料，涂层厚度不小于10mm。节点区域要增加20%～30%的防护厚度来消除防护盲区，在常规防护的基础上。做好保护层防水、防潮、防腐蚀设计，在防火涂层外侧增设防护面漆，防止潮湿、酸碱环境造成涂层老化脱落。施工过程中对基层打磨、除尘、底漆涂刷、分层喷涂、养护等各个环节的质量进行严格控制，保证涂层均匀、粘结牢固、无空鼓开裂，保证防火保护层长期稳定的隔热防护作用。

3.2钢-混凝土组合防火结构设计技术

钢-混凝土组合结构属于提高钢结构抗火性能的有效技术途径，依靠混凝土和钢材的共同受力来克服钢材高温力学上的不足之处，显著增强结构整体的耐火性。核心设计技术分为两类，一类是型钢混凝土组合结构设计，将型钢嵌入到混凝土里，依靠混凝土良好的隔热耐火性包裹住型钢，阻止高温热量传导，减缓型钢升温速度，混凝土还能约束钢材高温变形，加强结构高温承载能力。火灾工况下，外部混凝土先于钢结构受热而受损，从而起到保护钢结构的作用，大大地提高了结构的耐火时间。二是钢管混凝土结构设计，将钢管内填满混凝土，依靠混凝土的热惰性及承压能力来抵消钢管高温强度退化的缺点，防止钢管局部屈曲变形，同时钢管约束混凝土变形，使两者共同抗火、共同受力。该组合结构不用厚重的防火涂料，大大简化了防火施工工艺，既满足结构承载力又满足抗火性能，适合于超高层、大跨度钢结构建筑。

3.3防火隔断与防排烟结构设计技术

合理设置防火隔断、防排烟结构可以阻止火势蔓延，减小室内温度，属于钢结构整体安全的辅助技术。设计时必须按照防火分区划分的要求，用耐火极限不低于的防火隔墙、防火卷帘、防火门窗来形成封闭的防火分区，阻止火灾向各个方向蔓延，防止大面积的钢结构同时处在高温火场中。对钢结构楼板、墙体、梁柱缝隙处用防火封堵板材、防火密封胶、阻燃岩棉进行严密封堵，防止烟气和高温气流窜通扩散。同时对建筑的防排烟结构进行合理的布置，设置排烟口、排烟管道和补风系统，火灾发生时能迅速将高温烟气排出去，降低室内环境温度，减小钢结构受热损伤。对大跨度无吊顶钢结构场馆的排烟天窗、自然排烟口进行优化设计，利用热气流上升的原理快速排烟降温，减缓钢结构升温速度，保证结构火灾工况下结构的稳定性。

3.4智能防火监测与结构安全防控技术

依靠智能化技术创建主动防火防控体系，达成钢结构火灾全周期安全掌控，克服传统被动防护的不足。在钢结构关键构件、核心节点布置温度传感器、应变传感器、位移监测设备，实时采集构件温度、应力、变形数据，利用物联网平台进行数据实时传输、智能分析、超限预警，提前发现高温隐患，预测结构安全状态。根据建筑消防联动系统来达到火灾自动报警、自动喷淋、排烟系统联动触发的目的，在火灾初起时迅速控制火势降温，减小结构高温损害。同时建立钢结构火灾数值模拟平台，根据实时监测数据动态推算火灾发展趋向和结构损伤状况，给火灾扑救、灾后结构安全评定、修复加固给予数据支撑，创建起“事前预警、事中防控、事后评价”的智能化防火安全体系，全方位加强钢结构建筑火灾安全保障水平。

3.5基于全生命周期的防火性能维护与评估技术

对钢结构建筑防火性能进行全生命周期的管理，保证钢结构建筑在设计使用年限内一直满足设计的抗火要求。竣工验收阶段按照规范对防火保护层厚度进行检测，对构件耐火性能进行抽样检验，排查节点防护盲区、施工缺陷，对不符合要求的部位及时整改，从源头上控制防火施工质量。交付使用之后，对防火性能进行定期的巡检，主要查看防火保护层是否出现开裂、脱落、老化、腐蚀等情况，对重要节点的防护状态进行监测，对损坏的防护层进行及时的修补补涂，防止防护失效引起钢结构直接受热。对改造翻新、使用功能改变的钢结构建筑进行重新的火灾风险评估及抗火性能验算，根据新的使用环境改变防火防护措施，修改防火设计参数，保证防火性能符合实际使用需要。创建钢结构防火性能数字化档案，把设计、施工、巡检、修复各个时期的资料汇总起来，给之后的性能评定及保养赋予完备的数据支撑，从而一直保证钢结构建筑的火灾安全性能。

结语

综上所述，钢结构建筑的抗火性能提高属于体系设计、构件构造、材料防护、技术应用的综合工程，它牵涉到设计源头转变传统观念，经由整体结构、构件截面和节点构造的源头改善来加强建筑固有抗火能力，而且要融合新型防火材料和专项设计技术，创建起被动防护和主动防控相融合的复合防火体系。目前我国钢结构行业正处在快速发展的阶段，钢结构建筑的应用规模不断增大，对于防火安全的要求也越来越高，未来还需要继续深化钢结构抗火性能的基础研究，推广更加适应、耐久性更好的新型防火技术，完善差异化防火设计标准体系，不断推动钢结构防火技术的创新升级，为钢结构建筑的安全使用提供更坚实的科技保障。

参考文献

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