芻議鋼結構建筑構件的防火設計

劉現鵬

【摘要】文章結合工程實例，運用臨界溫度法對建筑鋼桁架結構進行防火設計，期望對同類型工程能夠有所借鑒。

【關鍵詞】鋼結構；建筑構件；防火設計；臨界溫度法

在建筑鋼結構中，鋼桁架結構是最為常見的一種形式。然而因鋼材不具備耐火特性，使得鋼桁架結構一旦發生火災極為容易出現坍塌現象。如果沒有進行相應的防火設計，鋼桁架結構的耐火時間僅僅為15-20分鐘左右。因此探討鋼桁架結構的防火設計極其重要。

一、基于臨界溫度法的鋼桁架結構抗火設計

采用基于臨界溫度法的時候，設計鋼桁架結構的防火需遵循如下步驟：對于鋼桁架的臨界溫度進行確定→依據火災現場的實際狀況，通過相應的公式來合理計算最高溫度→比對臨界溫度、最高溫度，以便于據此制定最終的解決方案。通常有兩種方法可以對臨界溫度進行確定。其一是采用施工經驗、查閱文獻資料的途徑進行確定；其二是借助結構分析理論，采用計算的方式來求得結果。

（一）結合施工經驗或者通過查閱文獻資料的方式來對臨界溫度進行有效確定

據針對鋼材進行高溫力學性能試驗后，可以得到如下結論：當鋼材面臨著低于200℃的溫度時，其強度變化幾乎和常溫狀態下無異；當鋼材面臨著低于300℃的溫度時，其強度開始下降，和常溫狀態下相比，強度下降15%；但是如果溫度直接高于300℃，則且強度則迅速下降，一旦溫度高于400℃，強度呈現出急劇下降的趨勢。由上可知，可以保守的將鋼結構的臨界溫度確定為300℃，甚至再保守一點，直接將其設定為200℃。然而，查閱大量文獻資料后得知，也有將鋼結構的臨界溫度確定為325℃。

（二）利用結構分析理論計算臨界溫度

結構分析理論的主要原理在于：當建筑構件發生火災的時候，只需要計算火災工況下的荷載比即可對臨界溫度進行有效確定。所謂構件的荷載比，則可以通過火災狀況下，構件的荷載效應設計值和常溫狀態下構件承載力設計值之比來求得。一般來說，荷載比和臨界溫度是呈反比的關系，也就是越大的荷載比，反而會呈現越低的臨界溫度。軸心受力基本上是鋼桁架結構的主要受力形式，且分為抽心受拉和軸心受壓。如果是軸心受拉的鋼構件，只需要依據截面強度荷載比R的標準值即可確定。截面強度荷載比R可以由下述公式求得：

上述公式中，N表示火災狀況下構件的軸向拉力設計值；An表示構件的凈截面面積；f代表常溫狀態下鋼結構的強度設計值。

而對于軸心受壓的鋼構件，其臨界溫度則可以依據截面強度荷載比R和穩定荷載比R來確定，最終對比二者結果，最小的則可以確定為臨界溫度。R按式（2）計算。

公式中：N為火災時構件的軸向壓力設計值；A為構件的毛截面面積；為常溫下軸心受壓構件的穩定系數。

二、工程實例

（一）工程概況

某房屋建筑面積大約為62115m2，整體建筑高度為40m，地下主要用于停車庫、配電房、空調機房以及水泵房等，層高為5m。地上一層主要用于會議展廳，層高為9m。二層的層高為12-30m，主要分布的其大2-8號大型會議室等。該建筑主要運用的是鋼筋混凝土框架結構，屋頂用的是鋼桁架結構，耐火的等級為1級。

（二）鋼桁架抗火分析

我們選用臨界溫度法來進行鋼桁架結構的防火分析，依據經驗值，確定臨界溫度為300℃，設定火災場景后運用堆成羽流法來對結構的溫度進行計算。如果結構的溫度低于300℃，則無需進行防火保護，如果超過了300℃，則可以認定結構失效，需要進行相應的防火保護。在二層的5號會議廳設置一個火源點，具體火災釋放速度根據快速火進行確定。由于該區域一旦出現火災，消防人員能夠在10min內就控制主主要火勢，根據相關計算公式，得到火災的熱釋放速率為16880kw。選取火源總釋放速率的70%作為對流熱釋放速率，也就是11816kw，將周邊環境溫度設置為25℃，煙氣的比熱容CP取1.02kJ/（kg·℃），其他基本參數按前述取值。分別取高于火源面8、9、10、11、12m位置，并對煙羽流溫度進行計算，可以保守的認為煙氣溫度為鋼結構的溫度。具體計算結果如下表所示：

（三）結果分析

由上可知，當鋼結構位置低于10m的時候，其所有的溫度全部超過了300℃。我們選取1.2倍的安全系數，則可以認定低于12m的位置，所有鋼結構的溫度也會超過300℃。這時就必須選取一定的防火措施。相對而言，高于12m的位置，鋼結構的溫度并沒有超過300℃，因此或火災對于整個結構的影響比較小。所以對于該房屋建筑而言，對于整個屋頂結構而言，因其全部采用的是鋼桁架結構，且低于12m的位置需要采取必要的防火措施。通常可以涂刷一定的膨脹型防火涂料來保護，具體保護層的厚度要達到提升鋼結構的耐火等級高于1.5h，可以采用試驗的方式來最終確定涂料的涂刷厚度。

總之，限制鋼結構進一步推廣應用的主要原因在于耐火性能較差。因此相關設計人員，需要高度重視鋼結構的防火性能設計，確保提升鋼結構構建的防火性能，提升鋼結構建筑構件的安全性，最終推動鋼結構構件的進一步應用。

參考文獻

[1]閆紅偉.芻議性能設計方法在鋼結構建筑防火設計中的應用[J].中國住宅設施，2015，（04）：32-33.

[2]王莉.某大空間建筑鋼結構性能化消防設計分析[J].安防科技，2010，（05）：53-57.