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鋼結(jié)構(gòu)防火是怎樣的設(shè)計流程?

編者按

鋼結(jié)構(gòu)因其經(jīng)濟和技術(shù)的優(yōu)越性、低碳減排、循環(huán)經(jīng)濟以及可工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而被廣泛應(yīng)用。《鋼結(jié)構(gòu)（中英文）》自創(chuàng)刊以來，即以推動鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平的提升和發(fā)展，加快鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的進步和繁榮為目標(biāo)，堅持以技術(shù)方針政策和技術(shù)發(fā)展趨向的指導(dǎo)性、推動科技工作發(fā)展的針對性、解決生產(chǎn)建設(shè)中重大技術(shù)問題的實用性和促進技術(shù)進步的創(chuàng)新性為宗旨，以引領(lǐng)鋼結(jié)構(gòu)科技發(fā)展的未來與方向。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息資源開發(fā)利用的理念、技術(shù)和方法都發(fā)生了重大變化。為了充分利用互聯(lián)網(wǎng)信息海量、方便、快捷的特點,更好地發(fā)揮學(xué)術(shù)期刊的權(quán)威性和技術(shù)優(yōu)勢, 從2020年第2期開始，由《鋼結(jié)構(gòu)（中英文）》編輯部和土木吧微信公眾號聯(lián)手推出“鋼結(jié)構(gòu)熱點探析”欄目, 就實際工作中遇到的有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的熱點問題展開討論，并給出簡明建議, 以實現(xiàn)平面媒體與網(wǎng)絡(luò)媒體的互動, 全方位、多途徑、多層次地開發(fā)利用期刊、網(wǎng)絡(luò)等重要資源, 為讀者服務(wù)。也希望廣大讀者朋友踴躍參加討論，積極投稿,將論壇辦得有生氣、有意義、有價值，為鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的蓬勃發(fā)展貢獻力量。

問題引入

鋼結(jié)構(gòu)防火性能比較差,鋼材耐熱不耐高溫,隨著溫度的升高,強度和彈性模量會下降,延長率和線膨脹系數(shù)增大,所以鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計非常重要,那鋼結(jié)構(gòu)防火是怎樣的設(shè)計流程呢?

網(wǎng)友討論

1 土木哥

GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》實施以前,都是根據(jù) GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求選定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限時間要求防火涂料參數(shù),沒有具體的計算過程。

2 菩提

鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計不是單專業(yè)的事情,要各專業(yè)相互配合,尤其建筑和設(shè)備專業(yè)。

3 昆侖土

1) 火災(zāi)威脅對于建筑甚至對于人類生存而言無異于洪水猛獸,防火觀念及措施必須隨時放在心上。

2) 口號“隱患險于明火,防范勝于救災(zāi),責(zé)任重于泰山”,當(dāng)然首要是“防” ! 關(guān)鍵何在? 當(dāng)然是“釜底抽薪” ! 沒有火源,去掉火源就不存在“防火”問題! 可以認為,刷涂料之類不是防火而是“抗”火!

3) 鋼材是不可燃材料,也不是見火就軟化。實際上除非存在大量易燃品倉庫或生產(chǎn)車間之類建筑(不應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu))以外,常見的影劇院,體育場館,車站及機場等有關(guān)建筑,空間及層高極大,即使有燃燒彈也燒不到受力結(jié)構(gòu)(除了柱及柱間支撐之外),真是沒什么可怕的!

4) 對比木材之類可燃易燃材料,若將鋼結(jié)構(gòu)防火當(dāng)作重大結(jié)構(gòu)問題,就應(yīng)嚴(yán)禁采用木結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)。

5) 結(jié)構(gòu)專業(yè)考慮問題太多,工作量太大,責(zé)任太重大,應(yīng)該減負,使結(jié)構(gòu)師集中精力去處理其他專業(yè)無法解決的問題,確保工程安全可靠及耐久性,而不是不斷增加責(zé)任增加工作量。防火問題應(yīng)該考慮,但不應(yīng)承擔(dān)主要責(zé)任!

4 Mr_Roshan

廠家自己都不知道等效熱阻是什么,更別說根據(jù)等效熱阻選定涂層厚度了,設(shè)計結(jié)果落不到實處。

5 ygp

防火涂料的性能因廠家而異,因此防火涂料厚度的計算應(yīng)該交給防火涂料公司計算。結(jié)構(gòu)工程師只應(yīng)該提供設(shè)計性能要求,而且防火涂料都應(yīng)該有獨立檢查機構(gòu)確認的。

問題分析

鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計很重要。但一直以來,對防火設(shè)計投入的時間和精力與力學(xué)分析是沒法比的。大多數(shù)工程僅是在設(shè)計總說明中對鋼構(gòu)件的耐火極限、涂料性能、施工操作等提一些原則性的要求。施工圖中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)防火的說明有:

1) 鋼結(jié)構(gòu)的防火應(yīng)符合《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》與《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》的要求。

2) 本工程耐火等級為一級,各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限應(yīng)不小于表 1 要求。

表 1 各類構(gòu)件耐火極限

3) 本設(shè)計要求對上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行防火噴涂,柱、支撐和梁采用厚涂型防火涂料;樓板、疏散樓梯和鋼雨棚梁可采用薄涂型防火涂料,防火涂料的厚度須達到構(gòu)件的耐火極限、防火涂料的性能、涂層厚度及質(zhì)量應(yīng)由國家級檢測單位檢測,符合《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》GB 14907 和《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》CECS 24 的要求。

4) 防火涂料的施工應(yīng)由專業(yè)隊伍承擔(dān)。

5) 防火涂料與防腐涂料必須相容,經(jīng)建筑師同意,防火涂層可代替防腐涂裝的面層,但應(yīng)保證防火涂層與防腐涂層之間的附著力滿足要求。

6) 防火涂層和防腐涂層施工完畢后,應(yīng)對漆膜厚度、附著力等數(shù)據(jù)進行測試。

其實,上述說明不能算作防火設(shè)計。比如,對耐火極限至關(guān)重要的涂層厚度并沒有明確,而是交由涂料廠家或防火專項設(shè)計去完成,搞不好就是一種放任的狀態(tài)。

盡管在 CECS 200∶2006《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》中就有抗火承載力極限狀態(tài)驗算的要求,但因計算復(fù)雜,不借助軟件是無法完成的;加之結(jié)構(gòu)工程師對工程熱物理不熟悉,所以該規(guī)范并沒有被很好執(zhí)行。隨著 GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》的頒布,PKPM 和盈建科增加了耐火驗算功能,且審圖機構(gòu)要求提供耐火驗算結(jié)果,所以按耐火承載力極限狀態(tài)進行防火設(shè)計已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。

耐火驗算的基礎(chǔ)是工程熱物理,這對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師來說是陌生的。要想在短時間內(nèi)準(zhǔn)確理解規(guī)范、正確使用軟件并不容易,甚至想理出個頭緒都是很難的。所以,本文對《鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范》的基本脈絡(luò)進行梳理,希望能幫助初學(xué)者理解設(shè)計原理,正確選用計算參數(shù),借助設(shè)計程序完成耐火驗算和防火設(shè)計。

3.1 耐火驗算和防火設(shè)計涉及到的三個方面

要做耐火驗算和防火設(shè)計,就要對火的燃燒進程、鋼材強度與溫度的關(guān)系、防火保護層的屬性這三方面進行定量描述。文中提及的公式均見 GB51249—2017,本文不再列出。

3.1.1 火的燃燒進程的描述

火是主因,相當(dāng)于荷載。規(guī)范用熱煙氣的平均溫度與火災(zāi)持續(xù)時間的關(guān)系曲線進行描述,即火災(zāi)升溫曲線,分為標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和烴類升溫曲線。

烴類升溫曲線用于石油、化工類建筑,標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線用于除石油、化工類以外的建筑。如圖 1 所示。

圖 1 火災(zāi)升溫曲線

3.1.2 鋼材在熱煙氣籠罩下的性能描述

分為兩個方面:

1) 鋼材強度與溫度的關(guān)系,用 GB 51249—2017中式(5.1.2)表示。

2) 在熱煙氣的作用下,鋼材升溫與火災(zāi)持續(xù)時間的關(guān)系, 用 GB 51249—2017 中式 (6.2.1-1、6.2.2-1)表示。公式中的參數(shù)有鋼材的密度、比熱容、熱傳遞系數(shù)、截面形狀系數(shù)(受火表面積和體積之比)等。除截面形狀系數(shù)外,其他參數(shù)均為常數(shù),見 GB 51249—2017 中表 5.1.1。

3.1.3 防火保護層的分類及其屬性的描述

防火保護層的種類較多,屬性也有較大的差別。

有的防火保護層質(zhì)量較輕,相對于鋼構(gòu)件來說,其自身吸收的熱量可忽略。這種防火保護層稱為輕質(zhì)保護層。如,非膨脹型防火涂料、膨脹型防火涂料、蛭石防火板、硅酸鈣防火板、硅酸鋁纖維氈等。

有的防火保護層必須考慮自身所吸收的熱量,這種防火保護層稱為非輕質(zhì)保護層。如,混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿、砌體等。

防火保護層分類如圖 2 所示。棕色部分即為最常用最熟悉的防火涂料。

圖 2 防火保護層分類

防火保護層的屬性用“ 綜合熱傳遞系數(shù) α ” 來描述,見 GB 51249—2017 中公式(6.2.2)。α 與防火保護層的密度、比熱容和等效熱傳導(dǎo)系數(shù)、涂層厚度等參數(shù)有關(guān)。除涂層厚度外,其他參數(shù)均是材料的自身性能,同種材料為常數(shù)。

防火涂料屬于輕質(zhì)保護層,可忽略密度和比熱容的影響。也就是說,密度和比熱容的取值對計算結(jié)果沒有影響。

3.2 耐火驗算和防火設(shè)計用到的參數(shù)和術(shù)語

密度和熱膨脹系數(shù)比較熟悉,這里略去。

1) 比熱容,含義是指 “每 kg 物質(zhì)當(dāng)溫度升高1 ℃ 時所需的熱量”。反映了這種物質(zhì)的蓄熱能力。比熱容是材料的自身性能。鋼材的比熱容為 600 J/(kg·℃),非膨脹防火涂料的比熱容為 1000 J/(kg·℃)。

2) 熱傳導(dǎo)系數(shù),也叫導(dǎo)熱系數(shù),含義是指“ 在穩(wěn)定傳熱條件下,1 m 厚的材料、兩側(cè)表面的溫差為1 ℃,在 1 h 內(nèi)通過 1 m2 面積傳遞的熱量” ,單位為W/(m·℃)。熱傳導(dǎo)系數(shù)也是材料的自身性能。鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 45 W/(m·℃) ,非膨脹防火涂料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為 0.1 W/(m·℃)。

3) 等效熱阻,是耐火驗算和防火設(shè)計所要求得的數(shù)據(jù)。有了等效熱阻值,就可以確定防火涂料的厚度。等效熱阻不是材料的性能,而是已知厚度的保護層的阻熱能力,可與電阻類比。等效熱阻的單位為m2·℃/W,表示 1 W 熱流量所引起的溫升大小。

3.3 耐火驗算和防火設(shè)計的基本過程

以臨界溫度法為例,該過程可以用圖 3 比較直觀地表達出來。

圖 3 臨界溫度法示意

水平軸表示鋼材溫度,正向豎軸表示鋼材強度,負向豎軸表示火災(zāi)持續(xù)時間。1) 由軟件對整體結(jié)構(gòu)進行計算,得到火災(zāi)工況下各構(gòu)件的應(yīng)力組合設(shè)計值 Sm ,即圖中正向豎軸上的 A 點。該點代表火災(zāi)中鋼構(gòu)件能夠承受的最大應(yīng)力。

2) 過 A 點作橫軸的平行線,與圖中紫色曲線“鋼材強度與溫度關(guān)系曲線” 相交于 B 點。B 點在橫軸上對應(yīng)的點 C,即是該構(gòu)件允許達到的最高溫度,即臨界溫度 Td 。

3)在負向豎軸上標(biāo)出耐火極限對應(yīng)的 E 點,過E 點作橫軸的平行線,與 BC 延長線交于 D 點,該點表示該構(gòu)件所需的等效熱阻的最小值。

4)連接坐標(biāo)原點 O 和點 D,可得到該直線的斜率為 k,則可求得該構(gòu)件所需的等效熱阻為:

式中:圖片為截面形狀系數(shù)。

5) 由等效熱阻值確定涂層厚度:

a. 對于非膨脹型防火涂料,涂層厚度為

di= Riλi (2)

式中: λi 為防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù), W/(m·℃)。

b. 對于膨脹型防火涂料,因涂層厚度與膨脹層厚度和等效熱傳導(dǎo)系數(shù)均為非線性關(guān)系,也就是說,等效熱傳導(dǎo)系數(shù)不是常數(shù)。所以不宜用等效熱傳導(dǎo)系數(shù)計算涂層厚度,而是根據(jù)廠家提供的涂層厚度與等效熱阻的對應(yīng)關(guān)系確定。廠家應(yīng)提供如表 2 所示的涂層厚度與等效熱阻對應(yīng)關(guān)系,其他厚度的等效熱阻可線性插值。

表 2 涂層厚度與等效熱阻對應(yīng)關(guān)系