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摘要：钢结构在建筑工程中越来越得到广泛的应用，但这种结构耐火性差，遇到高温会导致钢柱、钢梁的弯曲变形，进而影响其在工程中的使用。使钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限，是钢结构防火设计需要解决的主要问题。目前钢结构工程中采用直接、有效的基于试验的防火设计方法，但同时又存在很多缺陷，而基于计算的防火设计方法解决了基于试验的构件防火设计方法所存在的问题，是钢结构防火设计发展的主要方向。本文就钢结构的防火设计问题进行探讨，希望能对相关工程有所帮助。
关键词：钢结构；耐火极限；防火设计；极限承载力
用型钢或钢板制成基本构件，根据使用要求，通过焊接或螺栓连接等方法，按照一定规律组成的承载机构叫钢结构。钢结构体系具有自重轻、抗震性能好、安装容易、施工周期短、环境污染少、投资回收快等优势，可用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物，是主要的建筑结构类型之一。但是钢结构的耐火性能很差，通常在450——650℃温度范围内就会失去其承载能力，导致钢柱、钢梁产生弯曲，最终由于钢构件形变过大不能继续使用。一般来说，不加保护的钢结构耐火极限为15分钟左右，与建筑物耐火极限标准差距很大，也正是由于这一缺点制约了钢结构在建筑工程中的运用和发展。2001年的“9.11”恐怖袭击事件，使得建筑用钢结构防火能力问题成为首要的安全问题。
虽然钢是非燃烧材料，但耐火性差，火灾发生时，高温使结构钢的刚度和强度在短时间内降低，火灾时升温迅速，所以无防火保护的钢构件很容易在火灾中被破坏，因此钢结构防火设计的一般要求是：如何确定防火保护措施，使钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
1.基于试验的构件防火设计
以试验为设计依据，对不同类型构件在规定的荷载分布和标准升温的条件下进行耐火试验，采取不同防火措施得到构件不同的耐火时间，根据不同等级建筑物耐火时间的要求，选取对应措施。事实上，我国现有的《建筑设计防火规范》GBJl6-87中关于钢柱和钢梁防火措施的要求，就是基于试验的防火设计方法。
基于试验的防火设计方法效果非常直接、有效，是一种简单而又直观的方法。但同时又存在很多缺陷，首先，由于建筑物功能区域越来越复杂，体形也越来越大，同一建筑物的各组成部分功能相差很大，使得耐火等级、耐火时间的确定非常困难；其次，试验中很难对构件进行准确的模拟，构件受力大小对其耐火时间的影响也很大，所以进行试验有一定的困难；最后，构件受火的作用在结构中产生温度应力，而这一影响也很难在构件试验中准确反映。由此可见，早期的防火设计方法有时不太经济，有时又难以保证安全。鉴于上述防火设计方法的缺陷，钢结构防火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法。
2. 基于计算的构件防火设计方法
以有限元为基础，建立任意荷载形式和端部约束状态的模型，模拟计算，基本上建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢结构防火设计方法，又解决了基于试验的构件防火设计方法所存在的问题，是钢结构防火设计发展的主要方向。
我国第一部钢结构防火设计标准采用的是基于计算的钢结构防火设计方法，计算过程：
2.1采用确定的防火保护措施，设定相应的防火被覆层厚度；
钢结构防火保护的基本原理是采用绝热、吸热或耐火材料，来阻隔热量和火焰，降低钢结构构件的升温速率，使构件表面延缓达到临界温度的时间。主要可以采用以下几种方法：
1）喷涂法：采用手工涂抹或喷涂，在钢结构构件的表面覆盖防火涂料。其重量轻、施工简便、不受钢结构构件几何形状的限制，实用性和经济性较强。例如对于楼梯用钢，若采用10～40mm 厚的涂料，可将耐火极限时间延长到1.5～3h。对于隐藏的构件，使用珍珠岩进行防火喷涂是最经济有效的方法，喷涂30～40mm 厚可将耐火时间延长到1.5h，而且还具有一定的防腐功能。
2）屏蔽法：将钢结构构件隐藏在由耐火材料组成的吊顶或墙体内部。这种保护方法多用于钢结构屋盖系统中。
3）包封法：使用轻质、耐火的板材，比如珍珠岩板、石膏板、硅酸钙板等，通过胶黏剂或螺栓、钢钉等连接构件将钢结构构件包封。在钢结构构件表面浇注混凝土形成耐火砖也是包封法的一种。
4）水冷却法：钢结构构件中，空心的钢柱、钢梁可以连成管网，在其内部填满含有防锈剂、抗冻剂的水溶液，着火时由于温差作用，水溶液循环流动，将热量带走；或者设置自动淋水装置，在钢结构项部设置喷淋供水管网，遇到明火自动喷水，起到防火保护的效果。
2.2计算构件在确定的防火保护措施及耐火极限下的内部温度；
2.3利用确定高温下钢的材料参数，计算出结构中该构件在温度和外荷载作用下的内力。
2.4考虑不利的荷载组合：包括永久荷载、屋面活荷载、风荷载、温度变化（考虑温度效应）等。
2.5根据构件类型及受载情况，对构件耐火承载力极限状态进行验算，验算要求：S≤R。其中，R为按温度条件下的构件极限承载力。
2.6若设定的防火被覆层厚度不合适，可将防火被覆层厚度调整后，重复上述步骤。
基于计算的防火设计方法，主要有以下优点：考虑多个影响因素，从实际的工作条件出发对构件进行耐火设计，从而更接近实际情况；一改之前构件的耐火试验方法，而采用保护材料的热物理参数测定法，简化了试验工作并大大降低了费用。缺陷主要是：目前计算方法尚未得到统一；计算过程较为复杂，不同计算方法使得计算结果差异较大。
3. 基于整体结构的承载力极限状态防火设计
研究整体结构在火灾中的防火设计。结构主要是作为整体来承受荷载，火灾中结构单个构件的破坏，并不表示整体结构一定会破坏，尤其是对于钢结构，一般情况下，结构局部少数构件的破坏，会引起结构内力的重分布，结构仍然具有一的定继续承载能力。如果结构防火設计是以防止整体结构倒塌为目标，那么基于整体结构的承载能力极限状态进行防火设计则更为合理。目前火灾下的结构整体反应分析尚是热门研究课题，仍没有提出适宜的工程实用方法被有关规范所采纳。
4. 考虑火灾随机性的结构防火设计
众所周知，火灾的发生具有随机性，而且火灾发生后空气升温的变异性很大，要对结构防火的概率可靠性进行设计，必须考虑火灾和空气升温的随机性。这一防火设计方法目前仍是有待研究的一个课题，可以作为钢结构防火设计发展的一个方向。
5.结语
钢结构在火灾中会因高温和明火的作用发生变化，受影响的程度主要取决于构件的功能、构件所处的环境、保护措施以及受保护的程度，钢构件刚度和强度等力学性能将随着温度的升高而降低、产生变形甚至膨胀。目前建筑结构当中，钢结构的防火要求是最高的。在设计和施工过程中，钢结构防火的方法、形式虽然较多，并且广泛应用于实际工程中，但目前的研究水平仍然停留在构件的耐火性能阶段，缺乏整体结构的防火概念。我们应加大力度开展钢结构防火领域的研究，尽量避免一些不应该发生的事故，共建一个美好和谐的社会。
参考文献：
[1] GB50017—2003.钢结构设计规范[s].
[2] 洪菲菲.浅谈钢结构的防火设计[J].人民珠江，2011，（o4）.
[3] 巩伟平，高洪俊，何丽丽.钢结构防火设计的探讨[J].山西建筑，2009，（04）.
[4]李兵，陈道政.钢框架结构抗火反应分析与研究[J].山西建筑，2012，35（1）：78—79.
关键词：钢结构；耐火极限；防火设计；极限承载力
用型钢或钢板制成基本构件，根据使用要求，通过焊接或螺栓连接等方法，按照一定规律组成的承载机构叫钢结构。钢结构体系具有自重轻、抗震性能好、安装容易、施工周期短、环境污染少、投资回收快等优势，可用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物，是主要的建筑结构类型之一。但是钢结构的耐火性能很差，通常在450——650℃温度范围内就会失去其承载能力，导致钢柱、钢梁产生弯曲，最终由于钢构件形变过大不能继续使用。一般来说，不加保护的钢结构耐火极限为15分钟左右，与建筑物耐火极限标准差距很大，也正是由于这一缺点制约了钢结构在建筑工程中的运用和发展。2001年的“9.11”恐怖袭击事件，使得建筑用钢结构防火能力问题成为首要的安全问题。
虽然钢是非燃烧材料，但耐火性差，火灾发生时，高温使结构钢的刚度和强度在短时间内降低，火灾时升温迅速，所以无防火保护的钢构件很容易在火灾中被破坏，因此钢结构防火设计的一般要求是：如何确定防火保护措施，使钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
1.基于试验的构件防火设计
以试验为设计依据，对不同类型构件在规定的荷载分布和标准升温的条件下进行耐火试验，采取不同防火措施得到构件不同的耐火时间，根据不同等级建筑物耐火时间的要求，选取对应措施。事实上，我国现有的《建筑设计防火规范》GBJl6-87中关于钢柱和钢梁防火措施的要求，就是基于试验的防火设计方法。
基于试验的防火设计方法效果非常直接、有效，是一种简单而又直观的方法。但同时又存在很多缺陷，首先，由于建筑物功能区域越来越复杂，体形也越来越大，同一建筑物的各组成部分功能相差很大，使得耐火等级、耐火时间的确定非常困难；其次，试验中很难对构件进行准确的模拟，构件受力大小对其耐火时间的影响也很大，所以进行试验有一定的困难；最后，构件受火的作用在结构中产生温度应力，而这一影响也很难在构件试验中准确反映。由此可见，早期的防火设计方法有时不太经济，有时又难以保证安全。鉴于上述防火设计方法的缺陷，钢结构防火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法。
2. 基于计算的构件防火设计方法
以有限元为基础，建立任意荷载形式和端部约束状态的模型，模拟计算，基本上建立了能考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢结构防火设计方法，又解决了基于试验的构件防火设计方法所存在的问题，是钢结构防火设计发展的主要方向。
我国第一部钢结构防火设计标准采用的是基于计算的钢结构防火设计方法，计算过程：
2.1采用确定的防火保护措施，设定相应的防火被覆层厚度；
钢结构防火保护的基本原理是采用绝热、吸热或耐火材料，来阻隔热量和火焰，降低钢结构构件的升温速率，使构件表面延缓达到临界温度的时间。主要可以采用以下几种方法：
1）喷涂法：采用手工涂抹或喷涂，在钢结构构件的表面覆盖防火涂料。其重量轻、施工简便、不受钢结构构件几何形状的限制，实用性和经济性较强。例如对于楼梯用钢，若采用10～40mm 厚的涂料，可将耐火极限时间延长到1.5～3h。对于隐藏的构件，使用珍珠岩进行防火喷涂是最经济有效的方法，喷涂30～40mm 厚可将耐火时间延长到1.5h，而且还具有一定的防腐功能。
2）屏蔽法：将钢结构构件隐藏在由耐火材料组成的吊顶或墙体内部。这种保护方法多用于钢结构屋盖系统中。
3）包封法：使用轻质、耐火的板材，比如珍珠岩板、石膏板、硅酸钙板等，通过胶黏剂或螺栓、钢钉等连接构件将钢结构构件包封。在钢结构构件表面浇注混凝土形成耐火砖也是包封法的一种。
4）水冷却法：钢结构构件中，空心的钢柱、钢梁可以连成管网，在其内部填满含有防锈剂、抗冻剂的水溶液，着火时由于温差作用，水溶液循环流动，将热量带走；或者设置自动淋水装置，在钢结构项部设置喷淋供水管网，遇到明火自动喷水，起到防火保护的效果。
2.2计算构件在确定的防火保护措施及耐火极限下的内部温度；
2.3利用确定高温下钢的材料参数，计算出结构中该构件在温度和外荷载作用下的内力。
2.4考虑不利的荷载组合：包括永久荷载、屋面活荷载、风荷载、温度变化（考虑温度效应）等。
2.5根据构件类型及受载情况，对构件耐火承载力极限状态进行验算，验算要求：S≤R。其中，R为按温度条件下的构件极限承载力。
2.6若设定的防火被覆层厚度不合适，可将防火被覆层厚度调整后，重复上述步骤。
基于计算的防火设计方法，主要有以下优点：考虑多个影响因素，从实际的工作条件出发对构件进行耐火设计，从而更接近实际情况；一改之前构件的耐火试验方法，而采用保护材料的热物理参数测定法，简化了试验工作并大大降低了费用。缺陷主要是：目前计算方法尚未得到统一；计算过程较为复杂，不同计算方法使得计算结果差异较大。
3. 基于整体结构的承载力极限状态防火设计
研究整体结构在火灾中的防火设计。结构主要是作为整体来承受荷载，火灾中结构单个构件的破坏，并不表示整体结构一定会破坏，尤其是对于钢结构，一般情况下，结构局部少数构件的破坏，会引起结构内力的重分布，结构仍然具有一的定继续承载能力。如果结构防火設计是以防止整体结构倒塌为目标，那么基于整体结构的承载能力极限状态进行防火设计则更为合理。目前火灾下的结构整体反应分析尚是热门研究课题，仍没有提出适宜的工程实用方法被有关规范所采纳。
4. 考虑火灾随机性的结构防火设计
众所周知，火灾的发生具有随机性，而且火灾发生后空气升温的变异性很大，要对结构防火的概率可靠性进行设计，必须考虑火灾和空气升温的随机性。这一防火设计方法目前仍是有待研究的一个课题，可以作为钢结构防火设计发展的一个方向。
5.结语
钢结构在火灾中会因高温和明火的作用发生变化，受影响的程度主要取决于构件的功能、构件所处的环境、保护措施以及受保护的程度，钢构件刚度和强度等力学性能将随着温度的升高而降低、产生变形甚至膨胀。目前建筑结构当中，钢结构的防火要求是最高的。在设计和施工过程中，钢结构防火的方法、形式虽然较多，并且广泛应用于实际工程中，但目前的研究水平仍然停留在构件的耐火性能阶段，缺乏整体结构的防火概念。我们应加大力度开展钢结构防火领域的研究，尽量避免一些不应该发生的事故，共建一个美好和谐的社会。
参考文献：
[1] GB50017—2003.钢结构设计规范[s].
[2] 洪菲菲.浅谈钢结构的防火设计[J].人民珠江，2011，（o4）.
[3] 巩伟平，高洪俊，何丽丽.钢结构防火设计的探讨[J].山西建筑，2009，（04）.
[4]李兵，陈道政.钢框架结构抗火反应分析与研究[J].山西建筑，2012，35（1）：78—79.