0 概述

建筑火災(zāi)與地震和風(fēng)一樣，應(yīng)作為建筑結(jié)構(gòu)的災(zāi)害性、偶然性作用考慮并進行合理的防火設(shè)計，結(jié)構(gòu)防火與結(jié)構(gòu)抗震和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)一道并列為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中必要環(huán)節(jié)。歐洲、北美、日本、新西蘭、澳大利亞等發(fā)達地區(qū)及國家早已將基于結(jié)構(gòu)承載力驗算的建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計納入設(shè)計體系并作強制性要求。我國近年來才開始推行基于結(jié)構(gòu)耐火驗算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法。

建筑防火涉及多個專業(yè)，相關(guān)規(guī)定主要涵蓋各類型建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險性分類、建筑耐火等級、結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件燃燒性能和耐火極限要求、建筑防火分區(qū)、防火間距、疏散、建筑構(gòu)造、滅火救援設(shè)施和水風(fēng)暖電設(shè)備等基本要求，主要規(guī)范為《建筑設(shè)計防火規(guī)范》( GB 50016—2014) ( 2018 年版) ［1］( 簡稱防火規(guī)范) 及《建筑高度大于 250 米民用建筑防火設(shè)計加強性技術(shù)要求( 試行) 》［2］等補充文件; 《住宅建筑規(guī)范》( GB 50368—2005) ［3］規(guī)定了住宅建筑構(gòu)件的耐火極限和燃燒性能要求; 此外體育建筑、村鎮(zhèn)建筑、車庫、飛機庫、地鐵、災(zāi)后安置點等均有相應(yīng)的防火設(shè)計規(guī)定［4-9］; 建筑內(nèi)部裝修設(shè)計也有專門的規(guī)范規(guī)定［10］。與上述規(guī)范對應(yīng)的國外主要規(guī)范有美國 NFPA 5000［11］、International building code［12］、 International fire code［13］、英 國 Approved Document B［14］等，這些規(guī)范主要是針對建筑防火功能和布局的基本規(guī)定，并規(guī)定了各類型建筑的耐火等級和結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限，但并未涵蓋基于計算的結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法。

對于普通建筑材料或制品，《建筑材料及制品燃燒性能分級》( GB 8624—2012) ［15］規(guī)定了材料燃燒性能分級，其試驗檢測依據(jù)和判別準則由《建筑材料不燃性試驗方法》( GB /T 5464—2010) ［16］、《建筑材料難燃性試驗方法》( GB /T 8625—2005) ［17］和 《建筑材料可燃性試驗方法 》( GB /T 8626— 2007) ［18］給出; 對于復(fù)合夾芯板材《復(fù)合夾芯板建筑體燃 燒 性 能 試 驗 第 1 部 分: 小 室 法 》( GB /T 25206. 1—2014) ［19］和《復(fù)合夾芯板建筑體燃燒性能試驗 第 2 部分: 大室法》( GB /T 25206. 2—2010) ［20］給出了相應(yīng)的試驗方法和判別準則，還有《建筑材料或制品的單體燃燒 試 驗 》( GB /T 20284— 2006) ［21］等規(guī)范提供了相關(guān)試驗方法和規(guī)定。對于承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件或不承重非結(jié)構(gòu)構(gòu)件等建筑構(gòu)件的耐火極限，《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》( GB /T 9978— 2008) ［22］詳細規(guī)定了火災(zāi)試驗設(shè)備以及墻梁柱板等形式建筑構(gòu)件的加載或不加載試驗方法。

鋼材是建筑結(jié)構(gòu)常用材料之一，其中鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，通常需要采用防火保護措施，防火涂料是常用的主要保護措施之一，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》( GB 14907—2018) ［23］ ( 簡稱新版鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范) 的要求，相關(guān)的試驗檢測規(guī)范還有《建筑構(gòu)件用防火保護材料通用要求》( GA/T 110—2013) ［24］。建筑鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的施工和驗收可以參考《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( GB 51249—2017) ［25］( 簡稱國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范) 、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》( GB 50205— 2020) ［26］、《建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準》( GB 50300—2013) ［27］、《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》( CECS 24 ∶90) ［28］和《消防產(chǎn)品現(xiàn)場檢查判定規(guī)則》( GA 588—2012) ［29］等相關(guān)條文。當采用防火砂漿、混凝土等材料作為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火包裹材料時，可以參考鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范的相關(guān)檢測規(guī)定。當采用防火板材、棉或卷材( 如石膏板、硅酸鈣板、鎂質(zhì)水泥材料、巖棉、硅酸鋁棉等) 作為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火保護措施時，構(gòu)件的耐火極限可以通過耐火試驗確定，板材的防火性能應(yīng)符合相關(guān)的材料標準。

與建筑防火相關(guān)的驗收規(guī)范還有《建筑內(nèi)部裝修防火施工及驗收規(guī)范》( GB 50354—2005) ［30］。當發(fā)生建筑火災(zāi)后，對幸存建筑結(jié)構(gòu)進行鑒定評估以《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準》( CECS 252 ∶2009) ［31］相關(guān)規(guī)定為依據(jù)。除上述規(guī)范文件外尚有大量各類材料和設(shè)備專業(yè)相關(guān)的防火規(guī)范和檢測規(guī)范。

上述建筑材料、建筑構(gòu)件、防火涂料、防火板材等產(chǎn)品防火質(zhì)量、試驗以及檢測等標準規(guī)范以相關(guān)國際規(guī)范( ISO) 和歐美規(guī)范為主要參考對象并體現(xiàn)了國內(nèi)的相關(guān)研究成果，形成了主要的建筑防火規(guī)范體系。但是由于經(jīng)濟和理論積累等方面的原因，結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計長期以來沒有國家規(guī)范明確詳細的指導(dǎo)，僅僅作為建筑結(jié)構(gòu)消防的一部分，在防火規(guī)范及相關(guān)規(guī)范中進行了初步的原則性規(guī)定。   

國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范實行前在建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，僅需要根據(jù)防火規(guī)范等相關(guān)規(guī)范規(guī)定建筑耐火等級和構(gòu)件耐火極限，同時注明擬選用的防火涂料 類 型 ( 按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》( GB 14907— 2002) ［32］( 簡稱舊版鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范) 分類為厚型、超薄型和薄型) 即可。防火保護措施或防火涂料涂層膜厚的設(shè)計，一方面可以參考防火規(guī)范附錄中較為粗略的參考數(shù)據(jù)，另一方面可直接根據(jù)防火材料耐火試驗的數(shù)據(jù)確定涂層膜厚。

以防火保護涂料為例，過去國內(nèi)通行以基于舊版鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范要求開展基于標準工字鋼梁的新式檢測試驗并直接采納試驗試件的涂層膜厚為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料設(shè)計膜厚，而不區(qū)分工程中實際構(gòu)件類型、大小和荷載水平。實際上型式檢測的基本目的僅限于判定一定厚度的防火涂料涂層合格與否，并不能針對性地給出實際構(gòu)件與所需涂層膜厚及其防火保護性能的對應(yīng)關(guān)系。另外，市場上的防火涂料生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品多種多樣，不同品牌、類型、型號的防火涂料的性能差異很大; 此外，在實際工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形式多樣( 梁、柱、墻、樓板、支撐等) 、構(gòu)件的截面形式多樣( 方管、圓管、工字鋼、鋼-混組合構(gòu)件等) 、截面大小多樣化、受力狀態(tài)和荷載水平多樣; 再則構(gòu)件的火災(zāi)工況即受火形式( 單面受火、雙面受火、三面受火、四面受火) ，這些因素都導(dǎo)致基于單一標準鋼梁型式檢測的檢驗結(jié)果實際上缺乏對實際工程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火設(shè)計科學(xué)合理的指導(dǎo)。

根據(jù) 國 際 標 準 化 組 織 ISO、美 國 UL 和 英 國BS476 系列防火規(guī)范的檢測要求，防火涂料產(chǎn)品應(yīng)結(jié)合不同截面形狀、不同尺寸的鋼試件開展批量試驗，同時以涂層膜厚和受火條件為變量，并依據(jù)截面形狀、受火面形狀、截面系數(shù)、受火時長和臨界溫度等參數(shù)共同確定防火涂料涂層膜厚，歐洲、北美、澳大利亞、新西蘭等發(fā)達國家多采納或認可上述方法。在長期的研究發(fā)展過程中基于傳熱學(xué)理論和大量試驗數(shù)據(jù)，發(fā)展了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件升溫計算方法，以升溫計算為基礎(chǔ)結(jié)合鋼材性能隨高溫衰退規(guī)律可以定量計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限，并確定其防火保護措施，相關(guān)的方法反映在歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會 ECCS 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計標準［33］、英國規(guī)范 BS 5950 part 8［34］、歐洲規(guī)范EN 1993-1-2［35］和美國規(guī)范 ANSI/AISC 360-10［36］等規(guī)范中。由于材料和產(chǎn)品的多樣性，基于計算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計來確定防火保護措施( 如防火涂料干膜厚度) 仍然高度依賴系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)，防火材料對結(jié)構(gòu)耐火性能的貢獻通常根據(jù)標準火災(zāi)試驗進行標定，相關(guān)的規(guī)范有歐洲 ENV 13381 系列規(guī)范等。   

同濟大學(xué)和中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會曾主編了基于耐火極限驗算方法的推薦性工程建設(shè)標準《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》( CECS 200 ∶ 2006) ［37］并于2006 年施行，但該規(guī)范在實際工程設(shè)計中的應(yīng)用較為有限，由于該規(guī)范未得到廣泛推廣，建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計人員對鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計普遍較為陌生。在精簡并適度完善的基礎(chǔ)上，國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范于 2017 年發(fā)布，并于 2018 年 4 月 1 日起開始實施，規(guī)范中以強制性條文要求鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)進行耐火驗算與防火設(shè)計，顛覆原有的經(jīng)驗設(shè)計方法，將鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計提升到基于計算的高度。新版鋼結(jié) 構(gòu) 防 火 涂 料 規(guī) 范 也 于 2018 年 發(fā) 布，并 于2019 年 6 月 1 日開始實施，規(guī)范中對防火涂料的分類( 原厚型改為非膨脹型、原超薄型和薄型改稱膨脹型) 、耐火性能分級、技術(shù)要求和試驗、檢驗規(guī)則等進行了全面更新; 施工驗收規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》( CECS 24 ∶90) ［28］等相關(guān)規(guī)范也在開展修訂升級。

需要注意的是，自 2017 年底全國陸續(xù)啟動了消防領(lǐng)域“放管服”改革，建筑結(jié)構(gòu)防火相關(guān)的消防主管主辦部門由原消防部門轉(zhuǎn)移至住建系統(tǒng)。由于鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計相關(guān)規(guī)范之間銜接、匹配和執(zhí)行時間差、消防改革周期較長、設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的生疏和商業(yè)設(shè)計計算軟件相關(guān)模塊開發(fā)的滯后等問題，同時住建系統(tǒng)特別是以審圖機構(gòu)為主體的設(shè)計審查單位和質(zhì)檢站為主體的基層驗收部門對消防特別是結(jié)構(gòu)防火領(lǐng)域欠缺一定的熟悉程度，建筑鋼結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)的耐火驗算和防火設(shè)計在實際工程項目從設(shè)計到施工驗收等各環(huán)節(jié)仍然處于實質(zhì)的過渡階段，嚴格按新規(guī)范體系執(zhí)行仍待完善。

總體上，我國有較為完善的建筑防火設(shè)計規(guī)范體系( 圖 1) ，特別對各類型建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險性分類、建筑耐火等級、結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件燃燒性能和耐火極限、建筑防火分區(qū)、防火間距、疏散、建筑構(gòu)造、滅火救援設(shè)施和水風(fēng)暖電設(shè)備等有詳細的規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)自身的耐火性能較低，ISO-834 標準火災(zāi)環(huán)境下無保護的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在15min內(nèi)可升溫至500℃左右，此時鋼材強度衰退到常溫的70%左右，隨后鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度等力學(xué)性能隨溫度的繼續(xù)升高快速衰退，因此建筑鋼結(jié)構(gòu)要達到設(shè)計耐火極限通常離不開防火保護措施。

開展結(jié)構(gòu)防火設(shè)計，既是消防的重要一環(huán)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要一環(huán)，是保證結(jié)構(gòu)在火災(zāi)作用下安全的重要手段，是確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足規(guī)范要求的耐火性能，并安全開展建筑火災(zāi)試驗相關(guān)疏散和救援的底線。相對于舊規(guī)范的設(shè)計方法，基于鋼結(jié)構(gòu)耐火極限驗算的結(jié)構(gòu)防火設(shè)計則是確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防火設(shè)計合理、可靠的有效手段。國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范的實施實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計差異化、針對性和定量化的要求，新版鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范的實施對防火涂料性能做了更加科學(xué)和明確的規(guī)定。

由于結(jié)構(gòu)防火設(shè)計長期以來并未作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的專項，結(jié)構(gòu)工程師大多對結(jié)構(gòu)防火設(shè)計不甚熟知，新規(guī)范的實施對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。本文擬對國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范等鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計相關(guān)的新規(guī)范進行系統(tǒng)介紹，并介紹鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的基本流程和設(shè)計要點。

1 結(jié)構(gòu)防火設(shè)計基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計包含兩大部分驗算: 承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。上述驗算主要涉及的計算參數(shù)有: 荷載、材料力學(xué)性能; 主要計算指標有: 受力( 內(nèi)力/應(yīng)力) 和變形。結(jié)構(gòu)防火設(shè)計最大的特點在于除恒載、活載、風(fēng)荷載等荷載外，還要考慮火災(zāi)引起高溫環(huán)境的影響，也稱作火災(zāi)作用。混凝土、鋼材等結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能往往隨溫度的升高而持續(xù)衰減，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耐火承載力極限狀態(tài)的定義為在火災(zāi)引起的高溫環(huán)境下受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到不能承受外部作用或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件從受火初始時刻到達到耐火承載力極限狀態(tài)的持續(xù)時間定義為耐火極限。受火時長和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫是基于耐火極限驗算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的重要因素。鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計需要進行的耐火驗算是基于承載能力極限狀態(tài)的驗算。驗算時偶然荷載組合通常可不考慮地震與火的組合作用，僅計入恒載、活載、風(fēng)荷載作用，當構(gòu)件軸向變形特征明顯時，還應(yīng)計入高溫引起的次內(nèi)力。

1. 1 環(huán)境溫度和傳熱

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫是影響其火災(zāi)下力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，鋼結(jié)構(gòu)耐火極限驗算應(yīng)首先進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件升溫計算。影響鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件升溫的因素有火災(zāi)環(huán)境、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何特征( 形狀、尺寸) 、受火狀態(tài)( 受火面數(shù)量) 、受火時長及其防火保護措施等。火災(zāi)環(huán)境主要指影響鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的火災(zāi)事件所造成的環(huán)境溫度變化規(guī)律。在實際條件下火災(zāi)引起的環(huán)境溫度變化主要由升溫段和降溫段組成，典型的建筑火災(zāi)升溫曲線見圖 2，均可分為起火、蔓延、轟燃、持續(xù)燃燒和衰退五個階段。在建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計中，通常不考慮與火災(zāi)衰退過程同步的環(huán)境溫度下降段。火災(zāi)的嚴重程度與空間環(huán)境、滅火排煙方式、可燃物( 火災(zāi)荷載) 數(shù)量及堆放方式等因素有關(guān)，在實際情況下具有一定的隨機性，目前評判結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐火性能均是在規(guī)范給定的標準火災(zāi)升溫環(huán)境下考慮的。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范，用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的常見室內(nèi)火災(zāi)升溫曲線主要有以纖維類物質(zhì)為主的火災(zāi)升溫曲線( ISO-834 標準火災(zāi)曲線［38］) ，以烴類物質(zhì)為主的火災(zāi)升溫曲線( 又稱碳氫升溫曲線) ; 此外， 《建筑構(gòu)件耐火試驗可供選擇和附加的試驗程序》 ( GB /T 26784—2011) ［39］還提供了室外火災(zāi)曲線、緩慢升溫曲線、電力火災(zāi)升溫曲線、隧道火災(zāi) ＲABT- ZTV 升溫曲線; 考慮到火災(zāi)的多樣性和差異性，歐洲規(guī)范 EN 1993-1-2［35］中根據(jù)房間大小、通風(fēng)條件和可燃物數(shù)量計算的參數(shù)火災(zāi)升溫曲線可供參考。規(guī)范中給出可用于設(shè)計的常用火災(zāi)升溫曲線見圖 3。需要注意的是，大空間建筑結(jié)構(gòu)的真實火災(zāi)與普通室內(nèi)火災(zāi)有一定差異，雖有不少相關(guān)理論研究成果，但當前尚無供工程設(shè)計使用的通用火災(zāi)模型，通常需要結(jié)合實際情況專門研究，但使用 ISO-834 標準火災(zāi)模型可以得到保守的分析結(jié)果。

在建筑火災(zāi)中，基于對流傳熱和輻射傳熱，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度隨環(huán)境溫度的升高而增長。當采用防火保護措施時，防火涂料或防火包封板材起到阻隔熱的作用，避免結(jié)構(gòu)或構(gòu)件直接受火同時延緩受保護的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的升溫過程，從而保護結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不因材料性能在高溫下的快速衰減而喪失承載力或退出工作并引起結(jié)構(gòu)的局部或整體垮塌。鋼結(jié)構(gòu)的升溫 Ts 受其質(zhì)量密度ρs( ρs = 7 850kg /m3 ) 、比熱cs( cs = 600J/( kg·℃ ) ) 、導(dǎo)熱系數(shù) λs( λs = 45W/( m·℃ ) ) 的影響［25］，由于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)較大并且鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壁厚較薄，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部與受火面相垂直方向的溫差往往較小，通常可以認為其均勻升溫; 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀、受火面數(shù)量、防火保護措施和受火時長t0 是影響其升溫的主要因素。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受火表面積和截面體積的比 F /V 是反映構(gòu)件受火面和幾何尺寸對其升溫影響的主要參數(shù)，而防火保護措施對升溫的影響主要由其干膜厚度 di、質(zhì)量密度 ρi、比 熱 ci 和導(dǎo)熱系數(shù) λi( 或熱阻 Ｒi ) 等參數(shù)確定。

1. 2 構(gòu)件耐火極限

以鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫為前提條件，繼而可以驗算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)作用下的承載力性能和耐火極限。鋼材的力學(xué)性能如抗拉或抗壓強度和剛度均隨高溫而衰退，同時軸向變形特征明顯的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于其受熱膨脹( 線膨脹系數(shù) αs) 受到不同程度的約束還會產(chǎn)生顯著的次內(nèi)力; 對于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在火災(zāi)環(huán)境下其混凝土的力學(xué)性能( 高溫下混凝土的軸心抗壓強度 fcT和彈性模量 EcT ) 也隨溫度的增加而衰退。開展溫度-力學(xué)性能耦合計算即可得到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力隨溫度或受火時間的下降規(guī)律。進行承載力驗算時，通常假定常溫下的荷載作用效應(yīng)組合不隨構(gòu)件受火過程發(fā)生變化，則定義常溫下的荷載作用效應(yīng)組合( 火災(zāi)荷載) 與常溫下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力比值為火災(zāi)荷載比 Ｒ。在耐火極限驗算時，當火災(zāi)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力小于其火災(zāi)荷載或火災(zāi)荷載與高溫下承載力的比 ＲT 大于火災(zāi)荷載比 Ｒ 時，判定構(gòu)件達到其耐火極限。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限及其對應(yīng)的高溫承載力和臨界溫度可判定構(gòu)件耐火極限是否達到設(shè)計耐火極限，分別稱為耐火極限法、承載力法和臨界溫度法( 見 2. 2. 5 節(jié)) 。

對于大跨鋼結(jié)構(gòu)如桁架、網(wǎng)架等，由于結(jié)構(gòu)中各鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的相互支撐約束關(guān)系較為復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)通常作為整體承受荷載作用，在火災(zāi)事件中幾何、邊界條件和荷載作用的非線性影響較為顯著，因此基于構(gòu)件耐火性能驗算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法無法反映結(jié)構(gòu)整體在火災(zāi)作用下的性能表現(xiàn)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型和荷載特征等選用基于整體結(jié)構(gòu)耐火的防火設(shè)計方法。 

2 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計規(guī)范要求和流程

鑒于實際工程中主要選用防火涂料為建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施，本節(jié)的內(nèi)容主要基于國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范和新版鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范兩本規(guī)范及相關(guān)規(guī)范進行整理。

2. 1 強制性條文

鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范中的強制性條文有 4 條，分別為第 3. 1. 1，3. 1. 2，3. 1. 3，3. 2. 1 條，其中第 3. 2. 1明確規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按結(jié)構(gòu)耐火承載力極限狀態(tài)進行耐火驗算與防火設(shè)計。這意味著以往只規(guī)定建筑耐火等級、構(gòu)件耐火極限和防火涂料選型的簡易設(shè)計方法不再適用。基于耐火承載力驗算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計由結(jié)構(gòu)工程師承擔(dān)，驗算和設(shè)計成果不僅要反映在設(shè)計圖紙上還需要以計算書的形式提供給消防主管部門或?qū)張D單位審核，并作為消防驗收的依據(jù)之一。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范中第 5. 1. 5 條、第 5. 2 節(jié)和第 7 章為強制性條文。第 5. 1. 5 條分別規(guī)定了膨脹型和非膨脹型防火涂料涂層的最小施涂厚度; 第 5. 2 節(jié)規(guī)定了各類型防火涂料的性能要求，其中第5. 2. 3 條中明確規(guī)定依據(jù)該規(guī)范基于標準鋼梁的耐火試驗結(jié)果( 防火涂料涂層膜厚和構(gòu)造措施) 僅適用于同類型且截面系數(shù)更小的基材; 第 7 章為產(chǎn)品檢驗規(guī)則的相關(guān)條文。 

2. 2 其他主要規(guī)定

2. 2. 1 建筑耐火等級和結(jié)構(gòu)耐火極限

由于鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差的特性，通常情況下建筑鋼結(jié)構(gòu)必須采取防火保護措施。普通工業(yè)與民用建筑的耐火等級、構(gòu)件耐火極限和材料的燃燒性能要求主要根據(jù)防火規(guī)范、國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范、《建筑高度大于 250 米民用建筑防火設(shè)計加強性技術(shù)要求( 試 行) 》［2］ 和《住 宅 建 筑 規(guī) 范》( GB 50368— 2005) ［3］等規(guī)范執(zhí)行。建筑高度大于 250m 的民用建筑的構(gòu)件耐火極限高于耐火等級為一級的建筑，例如將承重柱耐火極限提升到了 4. 0h、梁耐火極限提升到 3. 0h、樓板和屋頂承重構(gòu)件耐火極限提升到 2. 5h; 《農(nóng)村防火規(guī)范》( GB 50039—2010) 建議農(nóng)村建筑的耐火等級不宜低于一、二級; 并要求建筑耐火等級為四級的建筑，且應(yīng)盡量采用不燃材料或難燃材料。

由于大空間建筑結(jié)構(gòu)在空間和可燃物布置、火災(zāi)特性等有一定特殊性，《體育建筑設(shè)計規(guī)范》( JGJ 31—2003) ［4］專門針對體育建筑規(guī)定了耐火等級和特殊部位材料燃燒性能要求，規(guī)范中同時給出了承重鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件不做防火保護的條件，如: 1) 室外觀眾看臺上面的罩棚結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)件; 2) 滿足一定條件的比賽或訓(xùn)練部位的屋蓋承重鋼結(jié)構(gòu)。除此以外，當特殊情況下考慮降低建筑耐火等級和結(jié)構(gòu)耐火極限時，需由消防主管部門批準并經(jīng)消防性能化專項論證確定。 

2. 2. 2 荷載作用

火災(zāi)時結(jié)構(gòu)上可能同時存在的荷載( 作用) 通常為恒載、活載和風(fēng)荷載。地震作用與火災(zāi)事件同步的概率相對較低，鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范里不考慮地震作用的疊加，并規(guī)定火災(zāi)時結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載( 作用) ，應(yīng)按下列組合值中的最不利值確定:

式中: Sm 為荷載( 作用) 效應(yīng)組合的設(shè)計值; SGk為按永久荷載標準值計算的荷載效應(yīng)值; STk為按火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的溫度標準值計算的作用效應(yīng); SQk為按樓面或屋面活載標準值計算的荷載效應(yīng)值; SWk為按風(fēng)荷載標準值計算的荷載效應(yīng)值; γ0T為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù); γG 為永久荷載分項系數(shù);分別為風(fēng)荷載頻遇值系數(shù)、樓面或屋面活荷載頻遇值系數(shù)和準永久值系數(shù)。上述參數(shù)的取值見規(guī)范中所述。

現(xiàn)行《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 31—2015) ［40］( 簡稱高鋼規(guī)) 中也給出了鋼結(jié)構(gòu)梁柱和樓板抗火設(shè)計的相關(guān)條文，規(guī)定結(jié)構(gòu)抗火驗算時采用下式對荷載效應(yīng)進行組合

式中各參數(shù)的含義見規(guī)范中所述。

需要說明的是，對于受彎構(gòu)件、拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件等以彎曲形式為主的構(gòu)件，可以不考慮熱膨脹效應(yīng); 雖然規(guī)范中提及對于軸心受拉、軸心受壓等以軸向變形為主的構(gòu)件應(yīng)考慮熱膨脹效應(yīng)對內(nèi)里的影響( 即荷載作用組合中的 STk或 ST ) ，但是由于實際工程中不同構(gòu)件約束條件復(fù)雜且熱膨脹效應(yīng)的非線性現(xiàn)象明顯，相關(guān)規(guī)范中均未明確給出基于構(gòu)件的防火設(shè)計中如何簡化計算熱膨脹效應(yīng)，如果按完全約束情況下的線膨脹計算，難以得到與實際情況相符的結(jié)果。當無法準確合理考慮軸向變形為主構(gòu)件的熱膨脹效應(yīng)時，作為一種簡化方法，高鋼規(guī)中規(guī)定在荷載效應(yīng)組合中不考慮溫度內(nèi)力時，對于在結(jié)構(gòu)中受約束較大的構(gòu)件應(yīng)將計算所得的保護層厚度增加 30%作為構(gòu)件的保護層設(shè)計厚度。 

2. 2. 3 常用防火保護措施及構(gòu)造

常用的鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施主要有噴涂防火涂料、包覆防火板、包覆柔性氈狀隔熱材料或外包混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿或砌筑氣體。其中，噴涂或抹涂防火涂料是最為常見的防火保護方式之一。除防火砂漿外，傳統(tǒng)的防火涂料可以分為非膨脹型( 原厚型) 和膨脹型( 原薄型和超薄型) 兩種，另外按使用場所可以分為室內(nèi)防火涂料和室外防火涂料，按分散介質(zhì)分為水基性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和溶劑性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

根據(jù)防火涂料的分類，非膨脹型防火涂料主要是水泥基、石膏基并混和蛭石、膨脹珍珠巖顆粒等形成的無機材料，在火災(zāi)引起的高溫下不發(fā)生發(fā)泡反應(yīng)，主要依靠其自身的厚度形成防火隔熱層; 膨脹型防火涂料為樹脂基料、膨脹劑、成炭劑、填料、顏料混合成的有機材料，在火災(zāi)引起的高溫環(huán)境中材料發(fā)生膨脹反應(yīng)，由常溫下較薄但致密的涂層發(fā)泡為較厚的泡沫狀防火隔熱層。水基性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料相比溶劑性性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，具有低排放和環(huán)保的特點，而室外防火涂料除與室內(nèi)防火涂料共同的理化性能要求外，還具有耐曝?zé)嵝浴⒛蜐駸嵝浴⒛蛢鋈谘h(huán)性、耐酸性、耐堿性、耐鹽霧腐蝕性和耐紫外線輻射性等要求。

對于非膨脹型防火涂料，由于其為無機材料，通過增加厚度可以實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件長達 3. 0h 的防火保護，而膨脹型防火涂料由于其高溫下的附著力衰退、膨脹發(fā)泡形成的疏松泡沫狀防火隔熱層的穩(wěn)定性變差及其在高溫下的燒蝕現(xiàn)象等原因，一般僅適用于耐火極限不超過 2. 0h 的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料規(guī)范 中 對 膨 脹 型 防 火涂料的分級代號也僅到2. 0h。對于鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以工程應(yīng)用為背景的研究成果證明采用膨脹型防火涂料涂層作為保護措施可以可靠地實現(xiàn) 2. 0～3. 0h 耐火極限［41-42］。

對于各種類型的防火涂料，為保證其施工、養(yǎng)護和使用階段的可靠性、穩(wěn)定性和耐久性，應(yīng)適當采用加網(wǎng)構(gòu)造進行涂層加固。對非膨脹型防火涂料和防火砂漿，可以采用鍍鋅鐵絲網(wǎng)、鋼絲網(wǎng)或玻璃纖維布; 對于膨脹型防火涂料，可以采用玻璃纖維布，但應(yīng)選擇合適的網(wǎng)格尺寸以避免其對涂層受火時膨脹發(fā)泡的不利影響。 

2. 2. 4 構(gòu)件升溫計算

基于與火災(zāi)引起的高溫環(huán)境之間的對流和輻射換熱可計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫。鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范所提供的結(jié)構(gòu)構(gòu)件升溫設(shè)計計算公式均是以 ISO-834標準火災(zāi)曲線為基礎(chǔ)的( 式 4) ，當工程設(shè)計所采用的實際火災(zāi)升溫曲線不同于標準火災(zāi)曲線時，通常以基于火災(zāi)釋放熱量相等的原則轉(zhuǎn)換為標準火災(zāi)升溫環(huán)境下的等效爆火時間 te 來計算結(jié)構(gòu)的耐火承載力極限狀態(tài)并判別其耐火極限。除石油化工外的普通工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，其余建筑通常均基于標準火災(zāi)升溫曲線開展結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火驗算和防火設(shè)計，對于大空間建筑結(jié)構(gòu)，當采用能反映實際火災(zāi)特性的升溫曲線時需要進行專門研究。

此外，國標鋼結(jié)構(gòu)防火規(guī)范第 3. 1. 4 條對鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計文件給出了詳細的要求: 鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計文件應(yīng)注明建筑的耐火等級、構(gòu)件的設(shè)計耐火極限、構(gòu)件的防火保護措施、防火材料的性能要求及設(shè)計指標。其中防火保護措施及防火材料的性能要求、設(shè)計指標包括: 防火保護層的等效熱阻 Ｒi、防火保護材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù) λi、防火保護層的厚度di、防火保護的構(gòu)造等。實際設(shè)計和施工過程中，當采用的防火保護材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與設(shè)計值不一致時，可基于等效熱阻相等的原則進行施用厚度的換算。非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層的等效熱傳導(dǎo)系數(shù) λi、涂層膜厚 di 和等效熱阻 Ｒi 滿足式( 1) 的關(guān)系; 由于膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù) λi 與防火保護層厚度有關(guān)，可直接根據(jù)等效熱阻確定防火保護層施用厚度。非膨脹型防火涂料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù) λi 需要根據(jù)標準耐火試驗實測升溫曲線和試件的防火保護層厚度計算( 式 2) ，膨脹型防火涂料的等效熱阻 Ｒi 需要根據(jù)標準耐火試驗實測升溫曲線計算( 式 3) ，式中參數(shù)見規(guī)范條文。

參 考 文 獻

［1］ 建筑設(shè)計防火規(guī)范: GB 50016—2014［S］． 2018 年版．

北京: 中國計劃出版社，2018． 

［2］ 公安部消防局． 關(guān)于印發(fā)《建筑高度大于 250 米民用建筑防火設(shè)計加強性技術(shù)要求( 試行) 》的通知［A］．北京，2018． 

［3］ 住宅建筑規(guī)范: GB 50368—2005［S］． 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2005． 

［4］ 體育建筑設(shè)計規(guī)范: JGJ 31—2003［S］． 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2003． 

［5］ 農(nóng)村防火規(guī)范: GB 50039—2010［S］． 北京: 中國計劃出版社，2010． 

［6］ 汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范: GB 50067— 2014［S］． 北京: 中國計劃出版社，2014． ［7］ 飛機庫設(shè)計防火規(guī)范: GB 50284—2008［S］． 北京: 中國計劃出版社，2008． 

［8］ 地鐵設(shè)計防火標準: GB 51298—2018［S］．北京: 中國計劃出版社，2018． 

［9］ 災(zāi)區(qū)過渡安置點防火標準: GB 51324—2019［S］． 北 京: 中國計劃出版社，2019． 

［10］ 建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范: GB 50222—2017［S］． 北 京: 中國建筑工業(yè)出版社，2017． 

［11］ Building construction and safety code: NFPA 5000［S］． Quincy MA: National Fire Protection Association，2012． 

［12］ International building code［S］． Virginia: International Code Council，2015． 

［13］ International fire code［S］． Virginia: International Code Council，2012． 

［14］ Fire safety，approved document B［S］． London: The Stationery Office，2000． 

［15］ 建筑材料及制品燃燒性能分級: GB 8624—2012［S］．北京: 中國標準出版社，2012． 

［16］ 建筑材料不燃性試驗方法: GB/T 5464—2010［S］．北 京: 中國標準出版社，2010． 

［17］ 建筑材料難燃性試驗方法: GB/T 8625—2005［S］． 北 京: 中國標準出版社，2005． 

［18］ 建筑材料可燃性試驗方法: GB/T 8626—2007［S］． 北 京: 中國質(zhì)檢出版社，2007． 

［19］ 復(fù)合夾芯板建筑體燃燒性能試驗 第 1 部分: 小室法: GB/T 25206. 1—2014［S］． 北京: 商務(wù)印書館，2014． 

［20］ 復(fù)合夾芯板建筑體燃燒性能試驗 第 2 部分: 大室法: GB/T 25206. 2—2010［S］． 北京: 商務(wù)印書館，2010． 

［21］ 建筑材料或制品的單體燃燒試驗: GB/T 20284—2006 ［S］． 北京: 中國標準出版社，2006． ［22］ 建筑構(gòu)件耐火試驗方法: GB/T 9978—2008［S］． 北京:中國標準出版社，2008． 

［23］ 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料: GB 14907—2018［S］． 北京: 中國標準出版社，2018．

［24］ 建筑構(gòu)件用防火保護材料通用要求: GA/T 110—2013 ［S］． 北京: 中國標準出版社，2013． ［25］ 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范: GB 51249—2017［S］． 北 京: 中國計劃出版社，2017． 

［26］ 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準: GB 50205—2020［S］．北京: 中國計劃出版社，2020． 

［27］ 建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準: GB 50300—2013 ［S］． 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2013． ［28］ 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范: CECS 24: 90［S］． 北 京: 中國計劃出版社，1990． 

［29］ 消防產(chǎn)品現(xiàn)場檢查判定規(guī)則: GA 588—2012［S］． 北 京: 中國標準出版社，2012． 

［30］ 建筑內(nèi)部裝修防火施工及驗收規(guī)范: GB 50354—2005 ［S］． 北京: 中國計劃出版社，2005． ［31］ 火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準: CECS 252: 2009［S］． 北京:中國計劃出版社，2009． 

［32］ 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料: GB 14907—2002［S］． 北京: 中國質(zhì)檢出版社，2002． 

［33］ EUＲOPEAN CONVENTION FOＲ CONSTＲUCTIONAL STEELWOＲK( ECCS) ． Technical committee 3-fire safety of steel structures，European recommendation for the fire safety of steel structures-calculation of the fire resistance of loadbearing element and structural assemblies exposed to the standard fire［S］． Amsterdam: Elsevier，1983．

［34］ The structural use of steelwork in buildings，part 8: BS 5950［S］． London: The British Standards Institution， 2003． 

［35］ Eurocode 3，design of steel structures，part 1-2: EN 1993-1-2 ［S］． Brussels: European Committee for Standardization，2005． 

［36］ Specification for structural steel buildings: ANSI/AISC 360-10 ［S］． Chicago: American Institute of Steel Construction，2010． 

［37］ 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范: CECS 200 ∶2006［S］． 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006． 

［38］ Fire resistance test-element of building construction: ISO- 834 ［S ］． Geneva: International Organization for Standardization，1999． 

［39］ 建筑構(gòu)件耐火試驗可供選擇和附加的試驗程序: GB/T 26784—2011［S］． 北京: 中國標準出版社，2011． 

［40］ 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程: JGJ 31—2015［S］． 北 京: 中國建筑工業(yè)出版社，2015． 

［41］ SONG Q Y，HAN L H，ZHOU K，et al． Fire resistance of circular concrete-filled steel tubular ( CFST ) column protected by intumescent coating ［J］． Journal of Constructional Steel Ｒesearch，2018，147: 154-170． 

［42］ SONG Q Y，HAN L H，F(xiàn)ENG Y，et al． Temperature rise distribution of circular concrete-filled steel tubular cross- sections with intumescent coating ［J］． Journal of Constructional Steel Ｒesearch，2020，168: 105869． 

［43］ 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準: GB 50017—2017［S］． 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2017．