浅谈钢结构的抗火设计

高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施摘要：近几年，随着城市化的深入，城市可供使用的土地日益减少，导致了城市高层和超高层建筑的迅速发展。

同时，钢结构也广泛应用于高层和超高层建筑，在建筑中的地位日益突出。

介绍了高层建筑钢结构防火设计的基本思路，以及高层钢结构的施工特点，并对其防火风险进行了分析。

关键词：钢结构；抗火设计；防火措施；1.高层钢结构的建筑特点1.1预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短钢构构件的模数协调统一规范，使其达到工业化、规模化，使不同材料、形状和工艺的建筑构件之间具有某种共性和可互换性。

同时，预工程钢结构的施工也使得材料的加工与安装成为一体，从而大大减少了施工费用；同时也可以加速工程进度，将工程进度减少40%，这样可以加速开发商的资金周转，使大楼提前交付。

1.2建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化钢结构建筑的意象组成是一个非常关键的要素，其形态、要素、节点都是影响和限制建筑物形象的重要因素。

只有将建筑和结构的设计和功能结合起来，才能让建筑更加具有功能性，从而在后续的设计中继续进行，从而形成一种技术和艺术相结合的钢结构建筑。

1.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求钢的结构是均匀的，具有较高的强度和较高的弹性模量。

它的密度和强度之比比水泥、混凝土、木头要小得多，在相同的荷载下，钢结构的重量相对较轻，因此可以制成大跨度、高、结构形式。

目前，人类已经能够建造1000多米长的巨型圆顶，以及1000多米高到4000多米的超高层建筑。

同时，索膜结构与钢索组合而成的索膜结构更能满足建筑物的跨径需求，从而使其成为一种具有代表性的建筑物。

1.4原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展由于中国是全球最大的砖混结构和混凝土结构国家，因此，发展钢铁结构对于资源和能源都十分匮乏的国家具有重要的意义。

钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再回收的利用价值，边角料也有价值，而且不需要制模施工。

关于钢结构抗火设计2018年4月1日,《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017开始实施,其中包含多项强条,引发了业界关注.大家普遍反映相关计算有些复杂,为此,有工程师使用SAP2000的API编制了一款钢结构防火计算插件,能够一键完成冗长的计算流程,让防火计算与设计变得简单.为便于理解、应用,首先对钢结构防火设计理论作简要介绍,然后对如何应用插件予以说明.（1）钢材在火灾下力学性能大幅退化.温度600℃时,结构钢屈服强度只有常温时的50%；温度700℃时,结构钢屈服强度只有常温时的20%.高强度钢材的力学性能则退化更为严重.（2）钢材热传导系数大,火灾下升温快.无防火保护的钢构件,在受火15~20min时,即可能达到600℃以上,难以达到《建筑设计防火规范》GB 50016规定的构件耐火极限要求.要大幅提高钢材在高温下的力学性能难度很大,且不经济.因此,目前提高钢构件耐火极限的主要措施是对其进行防火保护.工程中应用最多的钢构件防火保护方法是涂覆防火涂料,包括非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料,目前前者也常称为厚型防火涂料,后者常称为薄型防火涂料/超薄型防火涂料.《建筑钢结构防火技术规范》GB51249还规定了工程应用的其他钢构件防火保护方法,包括：包覆防火板,浇筑混凝土,砌筑砌块,涂抹砂浆,包覆防火毡等.在GB51249-2017实施之前,钢结构防火设计主要根据防火涂料检测报告（按照《钢结构防火涂料》GB14907测试）.例如：某检测报告中,涂抹了dfirecal2_v19）,Menu Text输入任意名称,例如“防火计算插件”,点击右边Add按钮,Status变为OK即安装成功,Tools下拉菜单中将出现这个插件.模块1：钢构件抗火设计打开插件,主界面如下：首先在窗口中选中需要计算的一根构件,使其处于高亮状态.在主界面中选择、填入各项参数,有无防火保护均可计算,保护类型包括规范中的非轻质防火保护层、膨胀型防火涂料、非膨胀型防火涂料以及笔者自己加的C20混凝土,截面类型包括工字钢、箱型截面和圆管.选择不同的涂料类型时,下拉框和填框会自动根据计算方法不同变为可填或不可填状态,需根据6.2节相关参数的解释把可填的地方全部填上参数（注意单位）,然后点击“生成”,即可马上根据所选构件的截面参数、材料本构计算出钢构件的升温值以及本构折减情况,弹框显示,并将该构件的材料本构修改为受火后的本构,便于有限元计算.在钢构件的升温计算中（6.2.1、6.2.2节）,规范中采用了一种时间增量迭代的方法,经校核,增量步取1~5s,结果都没有太大差异,在本插件中增量步统一取为1s.规范6.2.3节同时提供了一种轻质防火保护层的升温近似算法（本插件未采用）,跟增量迭代法进行比较后发现,误差一般不超过10%.2：钢与混凝土组合梁抗火设计选择“钢—混凝土组合梁抗火设计”标签,窗口变为以下：依然首先在模型中选择一根构件,然后按照规范8.3节中的内容选择或输入各项参数,点击“验算”即可弹出各项计算结果.在规范中,塑性中和轴的位置有三种情况：混凝土翼板内、钢梁上翼缘内、钢梁腹板内,程序中将其命名为一类、二类、三类截面,能够自动判断并应用相应的计算公式.。

浅谈高层建筑钢结构的抗火设计方法及防火措施摘要：本文简述了高层建筑钢结构具有的特点及抗火设计的重要性，论述了高层建筑钢结构抗火设计的基本方法和防火措施以及其优缺点，为高层建筑钢结构的抗火设计提供了参考。

关键词：高层建筑钢结构；抗火设计；防火措施1引言近年来，随着城市化进程的不断推进，城市可利用的空间也越来越小，从而推动了城市高层以及超高层建筑的高速发展，而钢结构在高层建筑以及超高层建筑中也得以大量采用，在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。

钢材虽然是非燃烧材料，耐热但不耐高温，不耐火，这也是其致命的弱点。

随着温度的升高，钢材的强度和刚度下降，当温度超过300℃时，钢材的屈服强度和弹性模量开始明显降低；当温度达到400℃时，其屈服强度将下降到常温下的一半左右，弹性模量将下降到常温下的60%左右；当温度超过500℃时，钢材会发生明显的塑性变形，超过500℃时钢材的承载力将急剧降低；当温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。

因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏[1]。

对高层建筑钢结构进行抗火设计具有如下意义：1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失[2]。

2高层建筑钢结构抗火设计的基本方法结构抗火设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。

现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法[3]：2.1基于试验的构件抗火设计方法基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。

我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。

但是该试验方法存在很多缺陷。

首先，耐火时间、耐火等级不易确定。

其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时间的影响很大。

钢结构在土木工程中的抗火设计技术随着现代建筑技术的不断进步，钢结构作为一种轻质、高强度、耐腐蚀的建筑材料逐渐应用于土木工程领域。

然而，钢材在面临火灾时其强度和稳定性可能会受到影响，因此钢结构在土木工程中的抗火设计技术显得尤为重要。

本文将介绍几种常用的钢结构抗火设计方法，旨在提高土木工程中钢结构的抗火性能。

1. 耐火涂料耐火涂料是目前常用的钢结构防火措施之一。

它可以在钢材表面形成一层保护层，起到隔热、延缓钢结构受热的效果。

根据工程需要，可选择不同种类的耐火涂料，如耐火石膏涂料、耐高温有机涂料等。

耐火涂料的施工操作简便，但需要按照所选材料的使用要求和施工规范进行操作，以确保其良好的防火效果。

2. 阻燃钢板包覆阻燃钢板包覆是另一种常用的钢结构抗火设计方法。

通过在钢材表面包覆阻燃钢板，可以阻隔火焰和高温气体对钢材的直接作用，提高钢结构的抗火性能。

阻燃钢板可以选择不同材质和厚度，根据实际工程需要进行选择和设计。

此外，为了确保阻燃钢板与钢结构的粘结性能和整体受力性能，施工时需要按照相关规范进行焊接或固定。

3. 阻燃涂层阻燃涂层是一种新型的钢结构抗火设计技术，通过在钢材表面涂覆阻燃材料，形成一层防火保护层，提高钢结构的抗火性能。

阻燃涂层可以选择不同类型的涂料，如阻燃水性涂料、阻燃油性涂料等，根据实际工程需求选择合适的防火涂料。

阻燃涂层施工时需要注意涂覆均匀、厚度符合要求，并确保与钢材的粘结牢固，以提高整体的抗火性能。

4. 钢结构构件隔热设计钢结构构件隔热设计是一种重要的抗火设计措施。

通过在钢结构构件与火源之间设置隔热层，减少火灾对钢结构的传导和辐射作用，提高钢结构的抗火能力。

常用的隔热材料包括矿棉板、膨胀石墨板等，可根据钢结构的具体情况选择适当的隔热材料进行隔热设计。

此外，隔热层的施工要求严格，需要注意保证隔热材料与钢结构的紧密贴合和稳固牢固，确保隔热效果的达到设计要求。

总结起来，钢结构在土木工程中的抗火设计技术主要包括耐火涂料、阻燃钢板包覆、阻燃涂层和钢结构构件隔热设计等。

钢结构的抗火设计钢结构介绍钢结构工程采用以钢材制作为主，由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成；各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接的结构，是主要的建筑结构类型之一。

钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。

钢结构应研究高强度钢材，大大提高其屈服点强度；此外要轧制新品种的型钢，例如H 型钢（又称宽翼缘型钢）和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。

钢结构在使用过程中会受到各种形式的作用(荷载、基础不均匀沉降、温度等)，所以要求钢材应具有良好的机械性能(强度、塑性、韧性)和加工性能(冷热加工和焊接性能)，以保证结构安全可靠。

钢材的种类很多，符合钢结构要求的只是少数几种，如碳素钢中的Q235，低合金钢中的l6Mn，用于高强螺栓的20锰钒钢(20MnV)等。

钢结构优缺点钢结构与普通钢筋混凝土结构相比，其匀质、高强、施工速度快、抗震性好和回收率高等优越性，钢比砖石和砼的强度和弹性模量要高出很多倍，因此在荷载相同的条件下，钢构件的质量轻。

从被破坏方面看，钢结构是在事先有较大变形预兆，属于延性破坏结构，能够预先发现危险，从而避免。

但是钢结构一个致命弱点是不耐火,高温下钢材的性能会有很大的变化。

钢材在高温下的工作性能在 0～200℃时，随温度升高，钢材的弹性模量没有明显变化，极限强度、弹性模量略有下降，但仍然有明显的屈服段和强化现象。

当温度到 300℃时材料的强度要降低很多，同时不存在明显的屈服现象，因此屈服强度无明确定义，温度更高时也是如此。

随着温度继续升高，材料强度下降很快，弹性模量也下降很快，但延伸率有较大的提高，据相关文献介绍试验中 Q345 钢材当温度达到 700℃，极限强度、弹性模量下降为常温的 20％左右，延伸率是常温的 2 倍。

浅谈钢结构的抗火设计摘要：本文从钢结构的耐火极限及其在火灾条件下的破坏机理入手，介绍了钢结构的抗火计算和防火构造措施设计，并结合工程实例，分析了轻钢结构厂房梁构件的抗火设计方法，为钢结构设计的完整性提供了参考，以推广钢结构的应用。

关键词：钢结构；抗火；设计钢结构建筑被誉为2l世纪的“绿色建筑”，是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构。

钢材具有强度高、重量轻、施工速度快、抗震性能好、环境污染少等优点，因而在超高、超大工业与民用建筑中使用比较广泛，特别是为了节约土地资源，我国规定从2003年7月起，禁止在全国各大中型城市使用实心粘土砖，使得钢结构建筑日益增加，如北京国家大剧院、水立方、国贸三期、东方明珠等，即是典型的钢结构建筑。

但与混凝土结构相比，钢结构也有其自身的缺陷，如耐火性差、耐腐蚀性差等，其中耐火问题显得尤为突出。

因此，如何采取科学的方法进行钢结构抗火保护设计，使钢结构的抗火设计做到更加经济、安全、有效，成为设计人员必须考虑的一个重要问题。

1钢结构耐火极限及破坏机理钢结构的耐火极限是指构件在标准耐火试验中，从受到火的作用时起，到失去稳定性或完整性或绝热性止，这段抵抗火作用的时间。

耐火极限是划分建筑耐火等级的基础数据，也是进行建筑物防火构造设计和火灾后制定建筑物修复方案的科学依据。

构件的耐火极限与其采用的材料性质、构造尺寸、保护层厚度以及构件的构法、支撑情况和受火方式等有密切的关系。

一般进行建筑防火设计时，先根据建筑物的使用功能、总楼层数等确定建筑物的耐火等级，再根据耐火等级确定各部位构件的耐火极限。

火灾产生的热量是以辐射和对流的形式传给结构构件的。

当钢材表面受到火烧时，表面温度高，内部温度低。

根据傅里叶定律，热流强度q与温度梯度成正比，即q=-(/dx，也就是说，当构件表面受热时，由于导热系数较大，热量可很快传到内部，因而温度梯度dt/dx很小，加之钢构件截面多为薄壁状，表面温度和内部温度相差无几。

钢结构抗火设计概述摘要：本文论述了钢结构的优缺点、钢结构火灾危害及钢结构杭火设计的目的与要求，介绍了传统的钢结构抗火设计方法及其缺陷，指出基于火灾高温结构承载极限状态的现代钢结构抗火设计方法和性能化钢结构抗火设计方法是今后钢结构抗火设计方法的发展趋势。

关键词：钢结构；抗火设计；传统方法；现代方法；性能化结构设计一、引言钢结构是现代建筑工程中较普遍的结构形式之一，随着我国经济的发展和建筑技术的日新月异，钢结构这种建筑结构形式以其重量轻承载力大、塑性韧性好、施工简便、布置灵活等特点广泛应用于超高层建筑、体育馆和大型厂房等建筑中，中国钢结构代表性建筑有国家体育馆、水立方、国家大剧院、上海环球金融中心、南京长江大桥等。

但是钢结构耐火性差，钢结构在耐火方面有两个致命的缺点，一是钢材的导热系数很大，火灾下无防火保护的钢构件的温度随着环境温度的上升在15min内就可能超过600℃；二是钢材的强度和弹性模量随着温度的上升而下降，温度为600℃时，钢材的强度和弹性模量将降至常温下的一半，承载力大大下降，因此在火灾中钢结构极易受到破坏或倒塌。

二、钢结构火灾危害钢结构在火灾下很容易遭到破坏甚至倒塌。

例如,1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾,造成3600m2的库房倒塌；1996江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾, 4320m2的厂房烧塌；1998年北京某家具城发生火灾, 造成该建筑(钢结构)整体倒塌；2001年美国“9.11”事件中纽约世贸大厦的倒塌,普遍认为飞机撞击后引起的火灾是主要原因；而同年台湾一幢26层的高层钢结构建筑发生火灾,造成了梁、梁柱连接及楼板的严重破坏[1]；2003年上海某钢结构厂房发生火灾,造成整体结构倒塌。

钢结构火灾给人类的生命、财产安全造成了重大损失，因此，钢结构抗火设计至关重要三、钢结构抗火设计目的钢结构抗火设计,一般期望达到如目的:(l) 减轻结构构件在火灾中的破坏,避免构件在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；(2) 避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；(3) 减少火灾后结构的修复费用, 缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失；四、钢结构抗火的计算模型结构分析模型可采用构件模型、子结构模型和整体结构模型。

高层钢结构建筑抗火设计探析摘要：本文介绍了钢结构建筑的特点，对火灾下钢结构的破环机理进行了分析，并对当前钢结构建筑抗火设计方法进行了介绍。

最后，本文提出一些改善钢结构抗火性能的方法，为相关设计人员提供参考。

关键词：钢结构建筑；抗火；承载力，设计方法1.前言钢结构凭借其自重轻，强度高，塑性韧性好，建筑平面布置灵活，面积利用率高等突出优点在工程实际中得到广泛应用。

相关资料统计表明，我国建成的超高层建筑中钢结构建筑占到37%，然而钢结构建筑具有一个不可忽视的缺陷，即耐火性差。

钢材常温下为非燃烧材料，但耐火性较差，在高温下，钢结构的强度和刚度迅速降低。

研究表明，当温度达到350℃、500℃、600℃时候，钢结构的强度分别降低1/3、1/2、2/3。

温度达到600℃以上的时候，钢结构则完全丧失承载力。

因此在火灾中若钢结构没有采取防火措施，钢结构建筑极容易发生破坏，钢结构建筑抗火能力直接影响钢结构的使用安全。

因此，对钢结构建筑做好抗火设计十分重要。

2. 火灾下钢结构建筑破坏机理《建筑设计防火规范》根据建筑使用功能及火灾危害等级等指标将建筑的耐火等级划分为一级、二级、三级、四级，一级要求最高，其余依次降低。

钢结构建筑的耐火极限是指钢结构构件在标准耐火试验中从受到火作用开始到失去稳定或者完整性或绝热为止，抵抗火灾作用的时间用小时来表示。

火产生的热量是以辐射和对流的形式传递给结构的，钢结构建筑由于导热系数较大，火灾产生的热量可以很快的传递到内部。

再加上钢结构构件大都为薄壁结构，表面温度及内部温度相差不大，因此钢结构构件温度分布可以看做是均匀分布。

钢结构由于导热性能好，当火灾作用的时候钢结构表面和内部的温度降急剧升高，构件将产生膨胀并伴随着强度下降，同时，钢结构在高温下还会发生很大的塑性变形，造成整个钢结构建筑局部破坏，最终造成整个结构整体破坏。

3.钢结构抗火设计方法3.1 实验的抗火设计方法传统确定建筑结构的耐火时间是通过时间来确定的。

钢结构建筑防火设计浅析摘要：由于钢结构存在不耐火的致命弱点，发生火灾时极易发生倒塌，造成重大的人员伤亡和财产损失，其防火问题备受人们关注。

本文就钢结构火灾特点和防火设计谈一点自己的见解，供大家参考。

关键词：钢结构建筑；防火；设计近年来，我国经济有了突飞猛进的发展，随着经济的发展带来了建筑业的空前繁荣，一些大跨度、超高层建筑应运而生。

建筑物中运用钢结构种类越来越多，厂房、桥梁、住宅等，工厂仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑也越来越广泛运用轻钢结构。

由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高，而钢结构本身具备自重轻、强度高、掩工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。

1.钢结构的优点钢结构之所以运用越来越广泛，这正是由于其自身巨大优点所决定的。

钢结构具有许多优点：首先，重量轻、强度高。

其次，抗震性能好，其延性比钢筋混凝土好。

从国内外震后调查结果看，钢结构建筑倒塌数量最少的。

再次，钢结构构件在工厂制作，减少现场工作量，缩短施工工期，符合产业化要求。

第四，钢结构工厂制作质量可靠，尺寸精确，安装方便，易与相关部品配合。

还有就是钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少。

总之，钢结构与传统的混凝土结构相比较，具有自重轻、强度高、抗震性能好，施工快等优点。

适合于活荷载占总荷载比例较小结构，更适合于大跨度空间结构、高耸构筑物并适合在软土地基上建造。

也符合环保与资源再利用的国策，其综合经济效益越来越为各方投资者所认同。

2.钢结构建筑的火灾危险性2．1耐火性能差钢材本身不燃烧，却不耐高温，其机械性能如屈服点、弹性模量、抗压强度、荷载能力等均会随温度的升高而急剧下降，当钢构件温度达到350、500、600摄氏度时，强度分别下降1／3、1／2、2／3。

而明火焰的温度通常在700～2000℃之间，远远超过钢材的承受能力。

而且钢构件由单一材料组成，导热系数大，在高温作用下，热量会迅速传导至内部，温升快，在标准时间—升温曲线的试验条件下，裸露钢构的耐火时间仅15分钟，不如普通木柱的耐火时间。