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钢材如果没有防火保护，与混凝土材料相比，在火灾情况下，其力学性能会大幅退化。 钢材未采取防火保护措施，在火灾下，其力学性能会大幅退化。 无防火保护的钢材在火灾下，力学性能会大幅退化。 未采取防火保护措施的钢材在火灾下，力学性能会大幅退化。 钢材在火灾下，未采取防火保护措施会导致力学性能大幅退化。 钢材在火灾下，无防火保护会使其力学性能大幅退化。 无防火保护的钢材在火灾中，力学性能会大幅退化。 未采取防火保护措施的钢材在火灾中，力学性能会大幅退化。 钢材在火灾中，无防火保护会让力学性能大幅退化。 钢材在火灾中，未采取防火保护会致使力学性能大幅退化。温度达到 600°C 时，钢材的屈服强度是常温时的 50%。温度达到 700°C 时，钢材的屈服强度是常温时的 20%。高强度钢材的力学性能退化情况更严重。由此可见，钢材在高温环境下，其强度和弹性模量会快速衰减，钢构件及其组成的结构的承载力会迅速降低。
钢材有一个特性是导热系数较大，在火灾场景中升温速度很快。对于那些没有采取防火保护措施的钢构件，在遭受火灾 15 到 20 分钟左右的时候，就有可能达到 600°C 甚至更高的高温，这样就很难满足《建筑设计防火规范》GB50016 所规定的耐火极限要求。钢材自身材料以及其在高温下的特性决定了，未采取防火保护的钢结构，其耐火时间通常只有 15 到 20 分钟。在火灾高温环境下，钢材的强度会快速下降，弹性模量也会迅速衰减，进而导致钢构件及钢结构的承载力迅速降低。由此可见，防火设计是钢结构设计中非常重要的内容。
主要钢结构防火设计成规程规范、标准及手册
《钢结构防火涂料应用技术规范》 CECS 24-90
《建筑钢结构防火技术规范》CECS：2006，
《钢结构防火涂料规范》GB14907-2002，
《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017，
《钢结构防火涂料应用技术规程》是 TCECS 24-2020 这一标准，它主要针对钢结构防火涂料的应用技术方面进行了规定和阐述。 该规程在钢结构防火涂料的施工、检测、验收等环节都有明确的要求和指导。 它为钢结构防火涂料的正确使用提供了详细的规范和依据，确保钢结构在火灾情况下能够具备足够的防火性能。 对于从事钢结构工程和防火涂料相关工作的人员来说，这是一份非常重要的技术文件，具有很强的指导性和操作性。
《钢结构设计标准》GB50017-2017
《钢结构防火涂料规范》GB14907-2018、
《构件用防火保护材料快速升温耐火试验方法》是 GA/T714-2007 这一标准。 该标准主要针对构件用防火保护材料进行相关试验。 通过快速升温的方式来检测材料在耐火方面的性能。 它在 2007 年被制定并发布。 此标准对于构件用防火保护材料的耐火试验具有重要的指导意义。 能够确保这些材料在火灾等高温环境下具备良好的耐火性能。 为建筑结构的防火安全提供了有力的保障。
《石油化工钢结构防火保护技术规范》SH3137-2013
《石油化工企业设计防火标准》GB50160 - 2008 在 2018 年有了相应版本；此标准为石油化工企业的设计防火提供了规范和指导；它对于保障石油化工企业的消防安全具有重要意义。
《建筑构件耐火试验》，其中包含可供选择和附加的试验程序，该标准为 GB/T 26784-2011
《建筑设计防火规范》GB50016-2014 有 2018 年版。
《钢结构通用规范》GB55006-2021
《建筑防火通用规范》GB55037-2022 以及各个版本的《钢结构设计手册》
（一）影响钢构件耐火极限时间的主要因素
影响钢构件耐火极限时间的主要因素有两个。其一为构件的荷载比；其二为构件的截面形状系数。
钢构件的荷载比对构件耐火极限时间有重要影响。其中，钢构件的荷载比为 0 时，在火灾情况下通常不会出现破坏，不过高温熔化情况除外；而当钢构件的荷载比接近 1 时，在温度较低的时候，钢构件就会发生破坏。所以，钢结构抗火设计需要考虑钢构件的实际受力状况，也就是钢构件的荷载比。
钢构件的截面形状系数是影响构件耐火极限时间的另一个主要因素。其含义是钢构件截面周长与截面面积的比值，能够表征钢构件的厚实程度。很明显，钢构件的钢板越薄，其截面形状系数就越大，在火灾情况下升温越快，耐火极限时间也就越小。
（二）GB51249-2017实施前的常用设计方法及其问题
在 GB51249 - 2017 尚未实施之时，钢结构防火设计主要依据防火涂料检测报告来进行，而这些检测报告是按照《钢结构防火涂料规范》GB14907 进行测试后得出的。根据检测报告提供的信息，涂抹了 30mm 厚度的防火涂料。钢构件进行耐火试验测试后，得到的耐火极限时间为 2 小时。在防火设计时，对于要求耐火极限为 2 小时的构件，其防火涂料保护层厚度直接取 30mm 。
上述耐火时间试验是指：在标准升温火焰的作用下，对于具有防火保护的标准截面的简支梁构件（HN400*200 或者是 GB14907 规定采用的 I36b、I40b）钢结构设计手册 模量，在指定的荷载比的作用下，从开始受火一直到失去稳定所经历的时间。防火设计方法指的是在正常荷载作用下的简支标准构件，在进行标准火焰升温耐火试验时，要达到满足耐火极限要求所需要的防火涂料的涂层厚度。在 GB51249-2017 实施之前，常用的设计方法以及存在的问题是，构件的耐火能力会受到承载水平（即荷载比 R ）和截面特性（也就是形状系数）的影响。从防火试验方面来看，因为没有采用实际的构件以及其实际的约束，也没有采用实际的火焰和实际的截面，并非进行真实的耐火试验。由此可见，标准防火试验不能够反映出实际结构构件及其约束作用，无法体现实际荷载比和构件形状系数对耐火能力的影响，从而影响到满足耐火极限要求所需要的防火涂层设计厚度的准确性。上述设计方法未采用实际钢构件的实际约束及其荷载比，也未采用实际钢构件的截面形状系数，所以它是一种偏于定性的设计方法，存在一定问题钢结构设计手册 模量，可能导致不安全或不经济。在基于结构计算抗火设计方法实施之前，耐火时间抗火设计法具有简单实用的特点，并且经历了大量的工程实践，这就是以往采用耐火时间抗火设计的原因。
（三）GB51249-2017实施后的设计方法及其基本知识
《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017 开始执行之后，依据该规范的第 3.2.6 条，钢结构防火设计方法存在三种，分别为耐火极限法、承载力法、临界温度法。耐火极限法中（当钢结构构件的实际耐火极限用 tm 表示且 tm≥td 时），钢结构构件的实际耐火极限 tm 能够通过耐火验算或者耐火试验来确定。倘若耐火验算所得出的防火涂层厚度数据与耐火试验数据不相同，那么就应当以这两者当中数据最大的值作为依据。构件抗火能力试验，也就是钢构件实际耐火试验，按照《建筑构件耐火试验方法》GB/T 9978.1-2008 开展防火试验，以此确定实际耐火极限 tm 。构件抗火需求，即设计耐火极限 td ，依据统计结果，可在《建筑防火设计规范》GB50016-2014 中查到。防火涂料的要求及选型，可在《钢结构防火涂料》GB14907-2018 和《钢结构防火涂料应用技术规程》TCECS 24-2020 中看到。
《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017 中可见结构承载力法和临界温度法，这两种方法广义上都属于性能设计。结构承载力法是一种抗火设计方法，其基于结构计算，抗火能力和抗火需求都以结构承载力为基础，要求结构的耐火承载力 Rd 不小于结构火荷载组合效应 Sm，从而满足耐火极限的需求。临界温度法是一种基于结构计算的抗火设计方法。这种方法要求钢结构构件的最高温度不能高于临界温度，也就是要满足 Td≥Tm 这个条件，以此来达到耐火极限的需求。为了让结构承载力法和临界温度法在钢结构防火设计中更加方便，GB51249 采用了与火灾情况下的钢结构设计方法相同的方式，这样一来，计算公式以及参数就可以采用《钢标》的表达形式。
《钢结构通用规范》GB 55006-2021 的第 6.3.3 条明确了，钢结构的防火设计可采用基于耐火试验的耐火极限法。《建筑防火通用规范》GB55037-2022 的第 5.1.4 条也明确了，火灾下钢结构构件的实际耐火极限 td 不应小于其设计耐火极限 tm 。实际上，耐火极限法可以通过两种方法来确定。一种是耐火验算，包括试验和计算；另一种是耐火试验，包括试验和数值模拟分析。（《建筑防火通用规范》GB55037-2022 第 5.1.4 条）耐火极限法的耐火试验是用设计荷载作用下的构件进行模拟试验。对于实际工程构件，若其实际荷载、约束及构件截面情况多样，那么进行耐火试验将费时费力费财，且会受到试验条件的限制，比如柱高通常为 4 至 6 米、常用截面均可，柱压力为 500 吨时可下端固端上端或二端简支，梁跨 4 至 6 米、常用截面均可，集中荷载 200 吨时可二端固端或简支。而规范第 3.2.6 条第 1 款所指的按规范有关规定计算，意思是在构件防火设计时，可采用承载力法或临界温度法进行耐火验算。
结构承载力法和临界温度法是以所有数据都可靠为前提而建立的抗火设计方法。然而，抗火计算本身较为粗略且复杂，还存在诸多假定。防火涂料的主要参数是通过试验和统计得来的，由于受试验手段以及财力物力的限制，现阶段要做到精准设计还比较困难。基于《钢结构通用规范》GB 55006-2021 的精神，耐火极限法（耐火试验）、结构承载力法和临界温度法实际上是一致的。它们可同时被设计人员选用，这也是各国家和地区通常所采用的方法。《建筑钢结构防火技术规范》的第 3.2.1 条是强条。2023 年 6 月 1 日执行的《建筑防火通用规范》GB55037-2022 已废止 GB51249-2017 的 3.1.1、3.1.2、3.1.3、3.2.1 共 4 条强条。为规避此强条，当设计人员和审图单位的审查人员需要抗火计算书时，对于常用的钢框架结构，可采用 PKPM（承载力法）、YJK 软件（承载力法）、3D3S（承载力法、临界温度法）来进行补充计算。可见，现阶段在钢结构防火设计方面，主要运用的是基于结构计算抗火设计方法的两种方法，分别是承载力法和临界温度法。
（四）GB51249-2017的抗火设计方法与计算流程
1、关于荷载组合
根据 GB51249 的第 3.2.3 条规定，绝大多数的钢结构是不需要运用基于整体结构耐火验算的这种防火设计方法的。GB51249 第 3.2.5 条条文规定，对于以弯曲变形为主的构件，如受弯构件、拉弯构件和压弯构件等，可不考虑热膨胀效应。同时，火灾下这些构件的边界约束以及在外荷载作用下产生的内力，可采用常温下的边界约束和内力，以此来计算构件在火灾下的组合效应。而对于以轴向变形为主的构件，如轴向受拉、受压等构件，应考虑热膨胀效应对内力的影响。梁、柱等以弯曲变形为主的构件，能够取恒载、楼（屋）面活荷载、风荷载的标准值来进行火灾情况下的荷载组合。拉索、支撑等以轴向变形为主的构件，应当取恒载、楼（屋）面活荷载、风荷载、温度作用的标准值进行荷载组合。
综上所述，能够极大地简化钢框架等结构的抗火设计。在按照 GB51249 第 3.2.2 条进行抗火荷载组合时，可以忽略温度内力项，直接运用常温下各工况（恒、活、风）的内力，并且考虑抗火分项系数来进行组合。对于这一点，现有的设计软件都能够满足使用要求。
非膨胀型防火涂料的等效热传导系数λi（W/m.℃）：在稳定传热条件下，1 米厚的材料，两侧表面温差为 1℃，1 小时内通过 1 平方米面积传递的热量。热传导系数属于材料的自身性能。膨胀型防火涂料保护层的等效热阻 Ri （㎡.℃ /W ） ：它体现了防火保护层对热传导的阻碍作用。等效热阻并非材料本身的性能，而是针对已知厚度的保护层而言，它能够反映出阻止热量传递的能力。
（四）GB51249-2017的抗火设计方法与计算流程
（五）钢结构防火设计方法应用的注意事项
通常情况下，涂料厂家不会提供防火涂料的密度ϼi和比热ci，只会提供非膨胀型涂料的导热系数λ、膨胀型涂料或等效热阻R以及它们对应的厚度，并且建议采用临界温度法进行计算。然而，临界温度法只适用于荷载比在 0.3 到 0.9 之间的情况。如果荷载比小于 0.3 或者大于 0.9，那么临界温度法的计算结果与结构承载力法会有较大差别，在这种情况下，应该使用结构承载力法进行计算。
《钢标》（第 18.3 节）可用于常温下的钢结构设计，也可用于长期持续高温下的钢结构设计。《建筑钢结构防火技术规范》适用于短时间（耐火极限时间）高温情况下的钢结构设计。
采用结构承载力法进行抗火设计时，要注意到目前大部分计算软件的适用范围。这些软件仅适用于框架结构以及标准升温曲线所产生的轰燃环境。而对于一些高大空间结构，像体育场馆的钢桁架、网壳网架等，这些软件并不适用。体育场馆等这类建筑应采用高大空间建筑升温曲线。防火涂料在计算中所采用的参数需在防火设计说明中予以注明，同时要求设计计算所使用的防火涂料热阻（或等效热传导系数）以及厚度不能低于试验数据。
按 GB51249-2017 第 4.1.3 条的规定，对于设计耐火极限大于 1.5h 的构件，不宜选用膨胀型防火涂料。同时，非膨胀型防火涂料涂层的厚度不应小于 10mm，而防火规范要求是 15mm。
《建筑钢结构防火技术规范》CECS：2006
（六）钢结构防火涂料主要参数、施工加网及选用原则
1、钢结构防火涂料的分类及其特点
膨胀型防火涂料主要由高分子材料构成。随着时间不断增加，这些有机材料或许会发生分解、降解、溶出等不可逆转的反应，导致涂料出现老化失效的情况，进而出现粉化、脱落或者膨胀性能下降的现象。所以对膨胀型防火涂料的使用范围进行了一定程度的限制。然而，环氧类膨胀型钢结构防火涂料，因为具备优良的粘结性能、耐候性能以及防火性能，所以对其使用场所的限制有所放宽。非膨胀型防火涂料的寿命比膨胀型防火涂料的寿命长。它的使用环境越好，使用寿命就越长。然而，当非膨胀型防火涂料的厚度太小时，施工难度会很大，难以确保施工质量。因此，规定其最小厚度不小于 10mm。
2、钢结构防火涂料主要参数
非膨胀型防火涂料的等效热传导系数和材料成分相关，并且一直保持恒定，其物理化学性能很稳定，使用寿命也比较长。膨胀型防火涂料的耐久性能不太好，性能衰减较为明显，它的等效热阻与涂层厚度是有关联的，需要给出最大使用厚度、最小使用厚度以及最大使用厚度与最小使用厚度差值按 1/4 递增的等效热。结构承载力法和临界温度法计算时，防火涂料的参数，像非膨胀型防火涂料的等效热传导系数以及膨胀型防火涂料的等效热阻和厚度，应当由生产厂家提供。这些参数主要与 t0 钢试件的平均温度达到 540°c 的时间有关，且与试验相关。防火涂料选用时需注意以下两点：一是涂料的高粘结性，即与钢材不分层不脱落的强粘结能力（由粘结强度试验提供的粘结系数）；二是涂料的大变形性，即与钢材变形协调一致的变形能力（由干密度试验提供的形变系数）。粘结度δ反映的是涂料的粘结能力指标，其值越大越好；形变度Υ反映的是涂料的变形能力指标，其值越大越好。导热系数λ越小，隔热效果越好；热阻R越大，隔热能力越强。环氧类钢结构防火涂料，其成膜物质是环氧树脂，这种涂料具备优良的粘结性能，还具备优良的耐候性能，同时也具备优良的防火性能。
3、防火涂料选用原则
选用钢结构防火涂料的原则如下。
设计耐火极限大于 1.5h 的全钢结构建筑时，宜选用非膨胀型钢结构防火涂料（石膏基）；同时，对于钢构件，也宜选用环氧类膨胀型钢结构防火涂料（水性）。
（2）、除了钢管混凝土柱之外，对于设计耐火极限大于 2 小时的钢构件，应当选用非膨胀型钢结构防火涂料或者环氧类膨胀型钢结构防火涂料；而对于钢管混凝土柱以及设计耐火极限大于 2 小时的钢构件，是可以选用非膨胀型钢结构防火涂料或者膨胀型钢结构防火涂料的；
室内隐蔽钢结构需选用防火涂料，这类防火涂料可以是非膨胀型钢结构防火涂料，也可以是环氧类膨胀型钢结构防火涂料。
不要将技术性能仅能满足在室内使用的涂料应用于室外、露天、海洋工程以及石化工程。因为室外的使用环境比室内要严苛得多，涂料在室外需要经受日晒、雨淋、风吹以及冰冻等各种考验。所以应当选用耐水、耐冻融、耐老化且强度高的防火涂料，比如室外非膨胀（水泥基）防火涂料或者室外环氧类膨胀型钢结构防火涂料（油性）。
（5）、 不要轻易把饰面型防火涂料选用于保护钢结构。
防火涂料有多种类型，包括钢结构防火涂料、饰面型防火涂料、电缆防火涂料、混凝土防火涂料。其中，钢结构防火涂料按照作用场所来划分，有室内防火涂料和室外防火涂料；按照涂层厚度来划分，则有厚涂型防火涂料、波涂型防火涂料和超薄型防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料，其涂层厚度在 8 毫米至 50 毫米之间；这类防火涂料的耐火极限能达到 0.5 小时至 3 小时。薄涂型钢结构防火涂料，涂层厚度处于 3 毫米至 7 毫米的钢结构防火涂料被称作薄涂型钢结构防火涂料。超薄型钢结构防火涂料的防火涂层厚度在 3mm 以下，通常被用于耐火极限要求在 2h 以内的建筑钢结构上。防火涂料有四种施工方法，分别是喷涂、辊涂、刷涂和刮涂。喷涂这种施工方法是通过使用压缩空气直喷来使涂料雾化，其特点是能够使涂层均匀且效率高，但缺点是会导致涂料耗损。
六、钢结构防火设计常见问题
GB51249-2017 的第 3.2.1 条强调的是进行耐火验算呢，还是强调验算的原则呢？
网架和桁架结构的防火保护层计算结果比较大吗？对于高大空间结构，桁架是否需要区分弦杆和腹杆呢？变截面构件又该如何进行计算呢？
荷载组合通常会考虑地震作用组合吗？不会考虑地震作用组合时，只考虑恒载、活载、风载以及温度（轴力构件），并且此时的荷载分项系数与常温下结构设计时不同。
预应力钢结构在考虑防火设计时需注意：300℃高温下会出现徐变和预应力松弛现象，这会引起内力重分布，进而可能导致整体结构破坏，并且预应力度越高，其耐火性越差。
重要构件像转换梁以及加强层桁架是否需要乘以重要性系数呢？这里涉及到结构重要性系数γ0T以及耐火等级分类。
防火保护层厚度相同且截面面积相同的构件，若构件受力增大，那么耐火极限就会变短（需考虑分截面形状系数）。
耐火极限确定之后，如果设计厚度与型式检（试验）验报告载明的厚度不一致，那么应该如何处理呢？即把报告载明的厚度当作能够满足钢结构防火需求的防火涂层厚度。
今天先到此为止。之后我们来整理防火涂料的类型，以及计算参数的选取。如果有任何问题，可以在后台发送私信，我们看到后会在第一时间进行回复。
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