钢结构的防火设计：科学保护，安全可靠，经济合理

00简介

钢结构具有重量轻、强度高、抗震性好、易于工业化生产、施工速度快等特点，是建筑中主要使用的结构形式之一。与混凝土结构相比，钢结构也存在一些不足之处，特别是钢结构的防火性能较差。造成这种情况的主要原因有两点：第一，钢材的导热系数较大，在火灾情况下，钢构件的升温很快；第二，随着温度的升高，钢材的强度会迅速下降。

未经防火处理的钢结构耐火时间通常只有15-20分钟。当结构温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降约1/3、1/2、2/3。当结构温度达到600℃以上时，将完全丧失承载能力。因此，为防止和减少建筑钢结构的火灾危险，必须对钢结构进行科学的防火设计，采取安全、可靠、经济的防火措施。

本文就钢材在高温下的性能、防火涂料的防火原理、防火材料的防护类型、消防法规的要求以及如何在YKJ、PKPM、MIDAS Gen三个软件中实现钢结构防火设计进行研究分析。

01钢材的高温性能

1.1高温下结构钢设计强度值的降低

图1 强度折减曲线

1.2 高温下结构钢弹性模量的降低

图2 弹性模量减小曲线

02防火涂料防火原理

钢结构设计中经常会用到防火涂料来满足防火要求，分为膨胀型和非膨胀型。

2.1 扩展类型

膨胀型防火涂料可分为超薄型涂料（≤3mm）和薄型涂料（3~7mm）。该类防火涂料采用合适的水性聚合物为基料，配以阻燃复合体系、耐火纤维、防火添加剂等配制而成。遇火时发泡膨胀，形成比原涂层厚度约十倍的多孔碳层。多孔碳层可阻断外界热源向基材的热量传递，耐火极限可达0.5小时~2小时。

2.2 非膨胀型

非膨胀型防火涂料又称厚涂型（7~50mm），该类防火涂料的基料多为无机材料，成本低廉，且具有良好的保温性能，耐火极限可达0.5小时至3小时以上。

对于设计耐火极限大于1.50h的构件，不宜采用膨胀型防火涂料，膨胀型防火涂料的厚度不宜小于10mm。

03 防火材料类型

YJK、PKPM将其统一分为外缘型和非外缘型，MIDAS在此基础上进一步细分为四边型和三边型，三边型的另一侧为混凝土楼板。

3.1 外缘类型

3.2 非边际

04 规范中的耐火计算方法和防火设计

《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017规定了三种防火验证方法，分别是：耐火极限法、承载力法和临界温度法。其中YJK采用承载力法，PKPM采用临界温度法，MIDAS GEN支持以上两种方法，耐火极限法主要基于火灾实验。

4.1 耐火极限方法

对涂有防护涂层的构件进行耐火试验，以保证构件的实际耐火极限不低于设计耐火极限。此方法可参考《建筑构件耐火试验方法》GB/T 9978.1规范。此方法不常用。

4.2 承载力法（Rd≥Sm）

①确定防火方法：设定钢构件防火材料的种类、厚度。

②计算构件在设计耐火极限时间内的最高温度（Ts），详见本规范第6章。

③确定钢材的高温力学参数，详见本规范第5.1节。

④计算该构件最不利荷载效应组合设计值Sm，见本规范第3.2.2节。

⑤校核构件的抗火承载力Rd，参见本规范第7.1节。

⑥根据验证结果确定第一步设定的防火涂层厚度。

⑦若不满足设计要求，则重复以上步骤。

4.3 临界温度法（Td≥Tm）

① 计算构件荷载效应最不利组合设计值，参考本规范第3.2.2节。

②计算未设置防火涂层时钢构件在火灾持续时间内的内部温度Ts，参见本规范第6.2.3条。

③根据高温下材料的性能参数、构件载荷的影响、构件受力类型（拉伸、压缩、弯曲）计算构件截面的强度载荷比和稳定载荷比（类似于应力比），见本规范7.2.1至7.2.5条。

④根据计算结果查表7.2可得临界温度Td，载荷比须控制在0.9以下，否则无法查询到相应的临界温度。

⑤ 计算设计耐火极限内未受保护构件的最高温度Ts。若Td≥Ts，则该构件的耐火性能满足要求，不需要进行防火设计。否则，按下述步骤确定该构件所需的防火材料。

⑥确定防火措施，计算构件截面体形系数。

⑦ 防火涂层厚度计算时，以临界温度Td代替钢结构内部温度Ts，以耐火极限代替火灾延续时间，按本规范6.2.3反算综合传热系数α，按本规范6.2.2计算防火涂层厚度。

4.4 各软件的负载组合值

规范第3.2.2条给出了钢结构抗火极限状态下的最不利荷载作用：

同时，规范3.2.5做了如下补充说明：计算火灾作用下构件的综合效应时，对于弯曲构件、拉弯构件、压弯构件等变形以弯曲为主的构件，可忽略热膨胀效应，火灾作用下构件的边界约束和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来计算构件的综合效应；对于轴向拉伸、轴向压缩等变形以轴向为主的构件，应考虑热膨胀效应对内力的影响。

YJK完全按照规范设置，并设置了是否考虑受弯构件热膨胀效应（即是否在荷载组合中结合温度效应）的选项。Midas完全按照3.2.2公式实现。PKPM没有采用防火规范中的荷载组合，而是按照《荷载规范》第3.2.6条规定将火灾视为偶然荷载。因此，PKPM计算出的防火涂层厚度不能代入YJK或Midas计算。

频发系数和准永久系数的最大值均取于规范3.2.2的荷载组合中，不同类型的活荷载系数有不同的值。YJK和pkpm统一取最大值0.6，而Midas默认取0.5（可手动修改）。以上参数的差异导致各软件计算防火涂层厚度时结果不同。其中pkpm最小，yjk和midas接近。这里不讨论pkpm按荷载规范取荷载组合方法的正确性。

05YJK操作流程

5.1 参数设置

计算参数>>钢结构设计资料>>钢结构防火计算

一级耐火等级构件重要性系数为1.1。可燃材料类型一般为纤维，碳氢化合物指汽油等有机物，不同类型加热曲线不同。保护层类型一般采用外缘型，计算截面体形系数时可单独修改。轴向受力构件默认考虑温度组合，只有两端铰接的斜撑才被软件视为轴向受力构件。

5.2 耐火性能及其他参数的定义

构件的耐火极限时间可查阅《建筑防火规范》，防火等级为一级的建筑，钢柱及斜撑的耐火极限为3小时，钢梁的耐火极限为2小时。截图中钢梁为桁架下弦杆，桁架的耐火极限按3小时考虑。导热系数暂设为默认。若施工材料与定义的材料参数不同，可根据《钢结构防火规范》附录换算涂层厚度。设计人员只需在图纸中注明耐火极限，并计算所用的等效热阻和涂层厚度即可。

选择截面形状系数，定义保护层类型，点击确定，自动生成截面形状系数。

5.3 结果视图

计算结果>>防火计算

计算过程可以在构件信息中查看，其中荷载组合单独列一栏，标记为防火验证。若不满足计算要求，可以在上图增加保护层厚度，重新计算，直至满足。

考虑温度组合与不考虑温度组合的区别如下：

不考虑温度载荷组合的结果很容易令人满意：

06PKPM操作流程

6.1 参数设置

计算参数>>钢构件设计>>防火设计

横截面的周边形状与外缘形状相对应，横截面的矩形形状与非外缘形状相对应。

6.2 耐火性能及其他参数的定义

6.3 结果视图

计算结果中可以查看防火计算表，计算表中会注明各构件的保护层厚度，同时可以查看构件信息。

如截图所示，PKPM的防火设计组合并未采用《钢结构防火技术规范》。

07Midas Gen操作流程

6.1 参数设置

① 特性 >> 高温材料 >> 温升特性 >> 添加材料

②材料连接

③ 荷载>>温度/预应力>>烟温

④单元供热>>定义防火参数

⑤ 根据构件类型定义耐火极限、保护类型、保护层厚度等

⑥单位温升>>截面形状系数

⑦单元温升>>单元火灾温升（选择所有钢结构构件）

⑧ 火灾荷载分析与控制（主要考虑温度作用下弹性模量的降低）

7.2 分析与结果回顾

① 经营情况分析

②结果>>荷载组合>>钢结构设计>>自动生成>>选择标准GB51249-2017

如果要与yjk进行比较，可以将频率系数改为0.6。

③设计>>选择标准GB51249-2017>>防火设计

④ 防火设计>>防火设计表结果>>查看不符合要求的部件

从设计表可以看出，若载荷比大于0.9，使用临界温度法无法找到构件的临界温度，软件默认为20°。

⑤ 查看构件详细的文本结果，其中分别列出了承载力法和临界温度法的计算过程。

⑥ 消防设计>>3D图形结果

本文仅列出设计流程，并不满足构件的防火计算，具体操作仍需对具体工程进行认真分析、调试。