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钢结构防火设计流程梳理
张利军
钢结构的防火设计非常重要，但我们在防火设计上投入的时间和精力是无法和力学分析相比的，大部分项目在总体设计说明中，对钢构件的耐火极限、涂装性能、施工操作等都只是提出了一些原则性的要求，类似下图：
其实，上述描述并不能算是防火设计，例如对于耐火极限至关重要的涂层厚度，并没有进行明确的规定，而是交给涂料生产厂家或者防火设计专家去完成，可能是一种放任自流的状态。
虽然《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006中有抗火极限状态验证的要求，但计算复杂，没有软件的帮助无法完成；加之结构工程师对工程热物理不熟悉，因此该规范并没有得到很好的执行。随着国家标准《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017的颁布，PKPM和英建科都增加了抗火验证功能，审查机构也要求提供抗火验证结果，因此按抗火极限状态进行防火设计已成为钢结构设计的重要内容。
抗火计算的基础是工程热物理，对大多数结构工程师来说比较陌生，短时间内准确理解规范、正确使用软件并不容易钢结构防火涂料及防腐涂料的施工顺序是怎么样的?，甚至很难摸透。因此本文对《钢结构防火规范》的基本脉络进行梳理，希望能够帮助初学者了解设计原则、正确选取计算参数、使用设计程序完成抗火计算和防火设计。
1. 耐火计算及防火设计涉及三个方面
进行耐火计算和防火设计，需要定量描述火灾的燃烧过程、钢材强度与温度的关系、防火层性质等。下文所提到的公式均来自《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017，本文不再一一列举。
1、火的燃烧过程描述：
火灾是主要起火因素，相当于负荷。规范中描述了热烟气平均温度与火灾持续时间的关系，即火灾温升曲线，分为标准温升曲线和碳氢化合物温升曲线。
石油化工建筑采用烃类温升曲线，石油化工建筑以外的建筑采用标准温升曲线。如下图所示：
2、钢材在热烟气覆盖下的表现描述：
分为两个方面：
（1）钢材强度与温度的关系用公式（5.1.2）表示。
(2)钢材在热烟气作用下温升与火灾持续时间的关系用公式(6.2.1-1、6.2.2-1)表示。公式中的参数包括钢材的密度、比热容、传热系数、截面形状系数(受火表面面积与体积之比)。除截面形状系数外，其他参数均为常数，见表5.1.1。
3.防火层分类及其性能描述：
防火层种类繁多，性能差异很大。
有些防火保护层重量较轻，其所吸收的热量与钢构件相比可以忽略不计，这种防火保护层称为轻质保护层。例如非膨胀型防火涂料、膨胀型防火涂料、蛭石防火板、硅酸钙防火板、硅酸铝纤维毡等。
有些防火层必须考虑其吸收的热量，这类防火层称为非轻质保护层，例如混凝土、金属网砂浆、砖石等。
分类如下图所示，棕色部分就是我们最熟悉的防火涂料。
防火层的性能用“综合传热系数
”来描述，见公式(6.2.2)。
它与防火层的密度、比热容、等效热导率、涂层厚度等参数有关，除涂层厚度外，其他参数均为材料固有属性，对同一种材料而言均为常数。
防火涂层为轻质保护层，因此可以忽略密度和比热容的影响。也就是说，密度和比热容的数值对计算结果没有影响。
2. 耐火计算及防火设计中使用的参数和术语
密度和热膨胀系数比较熟悉，这里不再赘述。
1、比热容又称比热容钢结构防火涂料及防腐涂料的施工顺序是怎么样的?，是指“每千克物质升高1℃所需的热量”，反映物质的蓄热能力，单位为焦耳每千克每摄氏度，J⁄kg•℃。
比热容是材料固有的属性，钢材的比热容为600，非膨胀性防火涂料的比热容为1000。
2、热导率又称导热系数，是指“在稳定的传热条件下，厚度为1m的材料两表面温差为1℃时，1小时内通过1m2面积传递的热量”。单位为
。
热导率也是材料的一个特性，钢材的热导率为45，非膨胀性防火涂料的热导率为0.1。
3、等效热阻是防火计算和防火设计所需的数据，有了等效热阻值，就可以确定防火涂层的厚度。等效热阻不是材料的性能，而是已知厚度的保护层的耐热性能，可以和电阻进行比较。等效热阻的单位是
，表示1W热流引起的温升。
3.耐火计算与防火设计基本流程
以临界温度法为例，该过程可以用下图更直观地表达。
横轴表示钢材温度，纵轴正向表示钢材强度，纵轴负向表示火灾持续时间。
1.软件计算整体结构，得出火灾条件下各部件的应力组合设计值
，即图中纵轴正方向的A点，该点代表钢结构在火灾中所能承受的最大应力。
2、通过A点画一条与横轴平行的线，与图中紫色曲线“钢材强度与温度关系曲线”对照至B点，横轴上与B点对应的C点即为该构件允许承受的最高温度，即临界温度Td。
3、在负纵轴上标记出与耐火极限相对应的点E，通过点E画一条与横轴平行的线，与BC延长线相交于点D，此点代表该构件所要求的等效热阻的最小值。
4. 连接原点O与点D，可得直线的斜率为
，则可得到该元件所需的等效热阻为：
5、通过等效热阻值确定涂层厚度：
（1）对于非膨胀型防火涂料，涂层厚度
；
（2）对于膨胀型防火涂料，涂层厚度与膨胀层厚度及等效热导率系数呈非线性关系，即等效热导率系数不是一个常数。因此，不宜用等效热导率系数计算涂层厚度，而应根据生产厂家提供的涂层厚度与等效热阻的对应关系确定。生产厂家应提供下表所示的涂层厚度与等效热阻的对应关系。其他厚度的等效热阻可采用线性插值方法计算。
涂层厚度
等效热阻
4、应提交的消防设计内容：
1. 标明防火涂层的类型，膨胀型或非膨胀型。
2.膨胀型防火涂料（薄型）仅需标示等效热阻值，涂层厚度不小于1.5mm。
3、对于非膨胀型防火涂层（厚型），应标明等效热阻、等效热导率及涂层厚度，厚度不宜小于15mm，当等效热导率不同时，可按等效热阻相等的原则进行换算。
4、注明防火涂层、防腐涂层的施工顺序。
对于膨胀型防火涂料来说，施工顺序为：防腐底漆、防腐中漆、防火涂料、防腐面漆。
对于非膨胀型防火涂料，可以省去防腐面漆。
5、其他事项请参考第一张图。
勘察设计硕士、代码编辑
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