序言：讲得深而浅，是通俗；讲得浅而浅，是庸俗。讲得深而深，尚可；讲得浅而深，是最可恶的。
结构防火分为三部分，这是第二部分，主要讲钢结构防火，下一部分在最下面介绍。
接上篇：很多结构设计师对于钢结构突发的防火设计感到困惑，最常见的疑问就是：“哪个软件可以计算钢结构的防火？”
我真的做不到像一些标题党的文章说的“有用的东西来了，一篇文章看懂，一张图片看懂XXX”。
下面我就根据自己的理解给大家介绍一下如何入手钢结构防火计算，由于本人知识有限，介绍可能极其片面甚至错误百出，如果不能用自己的无知帮大家理解清楚，我也会尽力给大家一些解决问题的思路。
4.钢结构防火规范
其实这个规范叫《钢结构抗火设计规范》更好，因为它简单明了，容易理解。规范的核心根本不是防火，而是计算当火灾发生时，内部构件在特定时限内不能失效。
钢结构非常怕火，15分钟不做防护，温度就达到500℃，就失去承载力，20分钟后温度就达到600℃，就完蛋了。我就不多说了，教科书上都说得很清楚，就直说吧钢结构防火涂料应用技术规程，为了满足防火要求，大部分钢构件都需要做防火处理。
1. 一般要求
1）耐火等级及耐火年限
如上文所言，建筑物的耐火等级是由建筑专业人员根据建筑物的用途性质所决定的，而耐火时限亦可由建筑专业人员所给予。下面我以常见的工业厂房为例，列出主要构件的耐火时限，以供参考。
工业厂房常用构件耐火时间要求（单位：h）
组件名称
建筑防火等级
1级
2 级
3 级
4 级
防火墙
3.00
3.00
3.00
3.00
楼梯间和前厅的墙壁
2.00
2.00
1.50
1.50
立柱、立柱支撑
3.00
2.50
2.00
0.50
梁
2.00
1.50
1.00
0.50
地面
1.50
1.00
0.75
0.50
顶板支撑、拉杆
1.50
1.00
0.50
——
屋顶
1.50
1.00
——
——
室内楼梯
1.50
1.00
0.75
——
室外楼梯
平台 1.00，楼梯 0.25
补充：
A.个人认为当构件重叠时，应采用更高的要求来确定耐火期限，例如防火墙承重柱的耐火期限不应低于防火墙的耐火期限。
B.四级组件几乎不存在，大部分都是一、二级工厂。如果面积不大，防火风险要求不高，可以和施工专业人员沟通，看能不能降级，以减轻压力。
C. 屋面上起拉杆和稳定器作用的檩条应与支撑拉杆有相同的要求。
2）必要图纸说明
规范3.1.4明确要求“钢结构防火设计文件应注明建筑的耐火等级、构件的设计耐火极限、构件的防火措施、防火材料的性能要求和设计指标”。所谓“防火设计文件”是指图纸和计算书，因为防火材料可能因耐久性问题而更换，其做法必须在图纸中体现出来。
有人建议在性能指标中写出“等效热阻Ri”和“等效导热系数λi”的数值。我对此持否定态度。严格地说，这两个系数需要通过对涂漆构件进行试验来确定。如果要写出来，那么就得针对各个耐火时限下不同部位、不同截面、不同涂层厚度的构件列出参数，而变截面构件只能给出不利的小头数据。这个工作量很大，但是你的实验数据从哪里来呢？因此，这里只能列出热阻R和导热系数λ，因为这些都是材料固有的特性，是可以确定的因素，也方便材料采购。
3）防火措施
根据规范第4.1.2条规定，防火措施有以下几种或几种组合方式：a.喷涂（涂）防火涂料；b.用防火板覆盖；c.用柔性毡状保温材料覆盖；d.用混凝土、金属网砂浆覆盖后砌筑。最常用的方法是a和b。
油漆防护分为非膨胀型油漆和膨胀型油漆，出于耐候性考虑，室外一般采用非膨胀型油漆或环氧膨胀型油漆。油漆不是万能的，对于特定构件钢结构防火涂料应用技术规程，如截面极小的柔性支撑段，不可能贴厚油漆，超薄油漆用料少，膨胀效果差，适合采用柔性毡类保温材料。对于要求高的室内装修，适合采用涂层防火板，但要注意连接件不能先于主体构件失效。混凝土或砂浆砌筑等外包作业相对复杂，实用性较差。
2.设计方法
规范第3.2.3条规定了两种方法：一是基于整体结构的方法，二是基于构件的抗火计算方法。基于整体结构的方法科学性强但复杂，适用于大跨度结构等大型公共建筑。其他结构可采用基于构件的方法，本文仅介绍该类方法。
规范3.2.6中提出了三种基于构件的验算方法，其作用和目的与R≥S相同，分别为：耐火极限法、承载力法和临界温度法。YJK、3D3S采用承载力法；PKPM采用临界温度法。
1）耐火极限法，也就是构件模拟试验法。需要用设计荷载下的构件进行实验，得出构件在火灾下的实际耐火极限不小于规定的耐火时限。很少有人能承受得起。要满足构件同样的受力条件，只能先建一栋房子，烧一下看看构件能不能承受，然后再以此为基础建一栋正式的房子。如果承受不了，就重新建一栋，再烧一下。这就是烧钱的意思吧？
实际上，防火规范附录中构件的数值是采用“简化耐火极限法”得到的，由于它没有考虑构件的尺寸、实际荷载以及由此得到的构件之间的约束关系，不宜直接用于具体设计。混凝土结构厚度大、刚度大，受热后承载力损失较小，因此表中数值可以近似取值。但钢结构对温度比较敏感，受热后承载力和刚度下降幅度较大，因此不能套用表中数值。
2）承载力法：比较简单，以承载力作为指标来验证是否满足高温下的要求。简单的结构可以手工计算。下篇文章将主要讲解此方法。
3）临界温度法：该方法是基于温度计算，火灾下元件的最高温度不超过可容忍温度的临界温度。
3. 需要计算哪些组件以及应该计算什么
1）只计算构件的承载力，不需要计算使用状态。由于火灾是一种偶然作用，火灾下结构变形远大于常温下变形，塑性变形释放了温度应力。
2）根据3.2.5条，我懒得复制内容。
第一种的一般含义是：偏心受力构件，存在塑性变形，且变形较大，所以不必考虑轴向伸缩引起的轴向应力，也就是所谓的“热膨胀效应”。但对于轴向受力构件，伸缩引起稳定性和受力变化明显，且多数构件存在于有冗余约束的系统中，杆件的轴向变形带来系统受力的变化，因此必须考虑热膨胀效应。
二是计算火灾下结构的温度、加热后的强度和残余弹性模量。
4. 几个术语的解释
1）扩张效应
3.2.5条提到的热膨胀效应主要是指沿构件长度方向的线性变化而引起的应力和受约束的二次应力。
2）截面形状系数
2.2.5条中的F/V（Fi/V）是无（有）防火保护构件的截面形状系数。各类构件的计算都会涉及到这个系数。规范中给出的解释是“构件防火材料内表面面积/体积”。如果对热工学稍有了解，就很容易把它和节能计算中的“建筑形状系数”这个概念联系起来，即表面面积与体积的比值。规范术语简直就是一个谜。下面就通过几个具体的计算来解释如何破解这个谜团吧！
圆形截面钢筋：F/V=πd/(πd^2/4)=4/d
矩形钢管：F/V=(2a+2b)/[ab-(a-2t)(b-2t)]=(a+b)/[t(a+b-2t)]
矩形钢管未外露于上方：
F/V=(a+2b)/[ab-(a-2t)(b-2t)]=(0.5a+b)/[t(a+b-2t)]
看到，和规范6.2.1中的表9一模一样。
5.承载力法具体步骤
授人以渔，下面我来讲解如何进行承载力法的线性计算，适用范围有两个：计算偏心荷载构件和计算独立的拉压构件。
1）热导率λ和热阻R
λ表示不同材料表面之间的热传导量，λ越小，隔热效果越好；R表示隔热材料阻止热量通过的能力，R越大，隔热效果越好。
当采用厚防火涂料或柔性毡覆盖时，可直接输入等效导热系数λi（根据定义，该值不是材料特征值，需要计算，此处为估算值）。一般厚防火涂料约为0.10 W/(m·℃)，柔性毡约为0.045 W/(m·℃)。当采用膨胀型防火涂料时，笔者没有经验。
2）计算火灾温升Ts
根据前文，我们先确定构件的形状系数Fi/V，估算保护层厚度di，再确定综合传热系数α。由于规范中的Bug，无法提供实验温度到达时间t0，因此无法计算λi，直接以λ作为输入。在厚涂层计算中，di不小于15mm，α=λi/di。
根据公式6.2.3估算Ts。这里Ts0为20度，t为秒。这里没有使用公式6.2.2-1，因为没有程序就无法实现迭代计算过程。注意此公式以Tso结束，Ts≤700℃应另起一行。
3）火灾时材料的物理参数
由于已知Ts，我们可以应用5.1节中的公式来计算钢材的强度fT=ηsTf和弹性模量EsT=χsTEs。这里要注意的是，Ts不大于700℃。
4）负荷值
任何计算都离不开荷载计算这个步骤，详见3.2.2条。
Sm=r0T（SGK+STk+0.4SQk）
这里采用的火灾组合不包含地震作用，耐火等级为1级时r0T取1.1，其他等级取1.0。活荷载频率系数取0.6，风荷载频率系数取0.4。非轴力分量中，也可将非地震作用基本组合除以折算系数约1.4，得到除STk以外的其他作用之和，再叠加STK。
根据第 3.2.5 条和正文规定，对于偏心荷载构件，可以忽略热膨胀效应，即 STK 可以排除在影响之外。但对于压拉构件，需要计算线性热膨胀效应。
独立成分的计算可以考虑如下
膨胀压力：Nm = EsT·A·ΔL/L = EsT·A·αs·(Ts-20)
膨胀应力：σm=EsT·αs·（Ts-20）
这里要注意的一点是，组件应该考虑到所附保护材料的实际重量。
5）应力计算与验证Rd≥Sm
构件应力计算看似复杂，其实就是查表的代数过程，熟悉钢结构的朋友都能轻松搞定，就不多说了。
最后用构件达到耐火极限时的应力来比较折算抗力，OK！
6.示例
介绍无实例，空谈。这里介绍的是带有两端限位铰接轴心压杆的独立受压构件的防火计算过程，采用承载力法和（拟）临界温度法。此实例仅用于演示计算过程，不代表实际工程。
可以看出，上表中承载力法基本符合规范初衷；临界温度法为轴向力分量，涉及到火灾现场弹性模量的变化，从而得到热膨胀效应应力，因此不能完全落实规范操作。两者计算结论虽有不同，但数值接近。其原因在下一篇文章详述。
概括：
1、钢结构防火规范与抗浮标准类似，很多参数不一致，数值不同，容易造成误用。
2.结构要求比较多，如各种材料厚度、使用环境等。2021年实施的《钢结构防火涂料应用技术规范》比较简明清晰，在这本30页的小册子里都能找到。其他结构、配套底漆等，请参考《钢结构设计手册》。
3、根据具体计算总结，钢材应尽量选择截面形状系数较小的截面，承受力要好；轴心受压、受拉构件的温度应力在有效承载力中占很大比例，应采用高强度钢材。
4、施工过程中的任何变更，必须经设计单位同意并签发变更令，报原审查机构或备案机构批准。
5、质量检验验收发现不满足设计要求时，可由原设计单位进行计算，只要满足规范规定的最低要求，就可以通过验收。
后记：
写这篇文章花了我很长时间，也查阅和学习了一些钢结构防火相关的资料（大部分图片来自“先锋（上海）消防科技有限公司”薛万里博士的讲座《建筑钢结构防火技术》，特别感谢），但还是有部分地方不够顺畅，导致文章看上去有虎有首，蛇有尾。
