基于构件的耐火验算方法及其在钢结构防火计算软件中的应用

王泽源

摘    要：防火设计是钢结构设计过程当中的关键性问题。本文结合《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249—2017的相关规定，对规范中规定耐火极限法、承载力法及临界温度法的设计规定及流程进行梳理。并对临界温度法在PKPM及承载力法在YJK软件中的实践流程进行阐述。

关键词：承载力法;临界温度法;等效热阻

1  引言

钢结构以其轻质高强、抗震性能好及施工速度快等优点，成为建筑中广泛应用的一种结构形式[1，2]。但是其与钢筋混凝土结构相比，最大的不足是其耐火性能较差，钢材由于热传导系数大，在火灾的作用下钢构件的升温较快，钢材的强度随着温度的升高而迅速降低[3]。因此，科学合理的进行钢结构防火设计成为建筑钢结构领域的刚性需求，住建部于2017年7月31日出台了《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249—2017（以下简称《钢防火规》），以求减少建筑钢结构的火灾危害，保护人身和财产安全。本文以《钢防火规》的相关条文为基础，对建筑钢结构的基于构件的耐火计算流程进行梳理，并采用常用的结构计算软件对钢结构防火计算操作步骤进行实践，以期在实际设计中起到一定的提示性作用。

2  基于构件的耐火计算方法

《钢防火规》给出了三种钢结构构件的耐火验算方法，即耐火极限法、承载力法及临界荷载法。

2.1  耐火极限法

耐火极限法是在设计荷载作用下，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。对于实际耐火极限td，应按相关规范规定的试验方法或《钢防火规》的有关规定确定。由于其还是采用基于耐火试验的防火设计方法，国内主流的计算软件并未采用耐火极限法对结构进行耐火计算。

2.2  承载力法

承载力法是指在设计耐火极限时间内，火灾下钢构件的承载力设计值不应小于其最不利荷载组合效应设计值。采用如下计算流程。

（1）确定一种防火保护方法。可以选择为非膨胀型防火涂料，或者为膨胀型防火涂料，也可以设定为无防火保护。

（2）根据选定的防火保护方法确定防火保护参数。

对于膨胀型防火涂料，应确定防火保护层的等效热阻Ri;对于非膨胀型防火涂料，应确定防火保护材料的等效热传导系数λi及预先设定防火保护层厚度di。

（3）根据火灾场景进行空气升温计算。建筑室内的标准升温曲线可以根据《钢防火规》（6.1.1-1）式或（6.1.1-2）式进行计算。

（4）钢构件的升温计算。对于无防火保护层的钢构件的温度采用《钢防火规》（6.2.1-1）式进行计算，对于有防火保护层的钢构件的温度按（6.2.2-1）式进行计算。

（5）结构受力分析及荷载效应组合。将按火灾下结构的温度标准值计算的作用效应值按照《钢防火规》（3.2.2-1）式及（3.2.2-2）式进行组合，按照两式组合值中的最不利值作为荷载组合效应设计值Sm。

（6）高温下钢材的力学参数及钢构件的抗力计算。对于高温下钢材的强度设计值折减，可以按照《钢防火规》5.1.2条及5.1.4条的相关公式计算。然后按照《钢防火规》7.1.1条到7.1.7条的相关公式确定轴拉、轴压、单向受弯、拉弯及压弯构件的抗力Rd。

（7）判断构件的耐火承载力是否满足要求。若计算防火承载力比值小于1，则之前步骤（2）确定的防火保护层厚度或防火保护层的等效热阻满足耐火计算要求;若计算防火承载力比值大于1，则需要重新設定防火涂料参数，再次计算，直至满足要求。

2.3  临界温度法

临界温度法是指在设计耐火极限时间内，火灾下钢构件的最高温度不应高于其临界温度。采用如下计算流程：

（1）结构受力分析及荷载效应组合。此步骤同承载力法，不再赘述。

（2）计算钢构件的荷载比及确定临界温度。按照《钢防火规》7.2.1条到7.2.7条的相关公式确定轴拉、轴压、单向受弯、拉弯及压弯构件的强度荷载比R及稳定荷载比R，根据R确定临界温度Td，根据R确定临界温度Td”，临界温度Td取Td和Td”的较小值。

（3）计算无防火保护钢构件在设计耐火极限tm时间内的最高温度Tm。将按《钢防火规》6.2.1条计算得出的Tm与步骤（2）计算得到的Td进行比较，当Td>Tm时，钢构件即使不采取任何保护措施在火灾中也不会发生破坏;当Td≤Tm时，则说明钢构件需要进行防火保护。

（4）选定一种防火保护方法，计算钢构件的截面形状系数Fi/V。

（5）确定膨胀型防火涂料的等效热阻Ri或非膨胀型防火涂料的厚度di。

当火灾温度为标准升温曲线，防火保护层为轻质防火保护层且Tm不高于700℃时，可以按照《钢防火规》7.2.8条的显式公式直接计算出膨胀型防火涂料的等效热阻Ri或非膨胀型防火涂料的厚度di。当不满足上述条件时，应按照《钢防火规》6.2.2条的有防火保护的钢构件升温迭代公式，经过多次试算计算出膨胀型防火涂料的等效热阻Ri或非膨胀型防火涂料的厚度di。

3  钢结构耐火计算在程序中的实践

3.1  钢结构耐火计算在PKPM中的应用

PKPM软件采用的是临界温度法。

首先要在SATWE的参数设置中勾选“是否进行防火设计”，定义火灾升温曲线、钢材物理参数及保护层类型等参数，进一步是定义防火涂料的性质，对于膨胀型防火涂料主要是防火涂料的比热及密度，对于非膨胀型防火涂料主要是定义热传导系数。定义完主要参数之后，在SATWE前处理的抗火设计定义中，将构件的耐火等级、耐火极限及所采用的防火涂料分别定义给所要计算的钢结构的梁、柱及支撑。然后进行计算，在SATWE后处理的配筋结果中选择“防火保护层厚度”按钮，就可以输出钢结构耐火验算的结果，对于非膨胀型防火涂料，会给出所需要涂刷防火涂料的等效热阻Ri，施工单位根据涂料厂家给出的使用厚度对应的等效热阻确定膨胀型防火涂料的施涂厚度;对于非膨胀型防火涂料，软件会直接给出所需要的非膨胀型防火涂料的施涂厚度及其对应的等效热阻。

3.2  钢结构耐火计算在YJK中的应用

与PKPM不同，YJK采用的是承载力法。

首先在YJK参数输入中勾选“进行承载力法防火验算”，定义结构重要性系数、承载力验算时温度内力折减系数及燃烧物类型等参数;然后在“温度荷载”选项卡中选择“防火升温”，若采用非膨胀型防火涂料，应分别给梁柱及支撑定义耐火极限、防火涂料的厚度及等效热传系数;若采用膨胀型防火涂料，则需要给梁柱及支撑定义设计耐火极限及等效热阻，等效热阻一般填入0.4～0.5比较合理。在进行计算之前，还应注意应将结构的楼板定义为弹性楼板，否则无法计算。然后，进入结构计算，通过计算结果查看可以得到钢结构耐火承载力极限状态下的应力比。

4  结语

《钢防火规》3.2.1条将钢结构应进行耐火验算与防火设计纳入强条。在今后的钢结构设计中，应加入钢结构防火计算的内容。本文对规范的相关条文进行梳理，基于软件操作对规范中规定的承载力法及临界温度法的计算流程进行阐述，以求在实际的钢结构设计中起到提示性作用，设计出可以满足规范规定的防火要求的结构。

参考文献：

[1] GB 50017—2017.钢结构设计标准[S].

[2] 沈祖炎，陈以一，陈扬骥等.钢结构基本原理[M].北京：建筑工业出版社，2018.

[3] GB 51249—2017.建筑钢结构防火技术规范[S].