耐火钢材与普通钢材在火灾中的性能对比及耐火钢材的优势

一、钢材的耐火性能

温度攀升时，钢材的强度会降低，刚度也会降低。遇到高温火灾的话，钢材就会丧失强度和刚度，像软糖那样发生变形，进而导致建筑结构倒塌。比如普通钢结构，温度达到 350℃时，其强度会下降三分之一；温度升到 500℃，强度会降至原本的二分之一；温度高达 1300℃时，钢材会融化，完全失去承载能力。耐火钢添加了钼、铬等金属元素。相比其他材料，它在 600℃时强度才下降三分之一。这显著延长了耐火时长。也极大地提升了建筑在火灾中的安全性与稳定性。

图1 温度对钢材机械性能的影响

当前，火灾荷载性质存在着很多未被探明的问题。当可燃物的种类、数量以及换气状态等条件不一样时，闪燃现象会在几分钟到几十分钟内出现。闪燃指的是温度急剧上升且超过 1000 摄氏度，之后火势会达到最高温度。火灾发生时，为在规定避难时间内，需把钢材表面温度控制在 350 度以下，所以对钢结构实施防火包覆很有必要。

防火包覆工法主要借助耐火材料来达成，这种耐火材料在标准加热曲线下具备 1 至 3 小时的耐火极限。常见的材料有防火涂料和防火板等。近年来，耐火钢材被开发利用，这种钢材在 600 度时，其强度能确保在常温规定强度的三分之二以上。这一特性在部分场景下能起到作用，可减少对钢结构进行防火包覆，甚至能避免进行防火包覆，从而为建筑设计与施工提供了更多选择和灵活性，并且在一定程度上降低了成本与施工难度 。

请查看《建筑钢结构防火技术规范》(GB51249-2017)以获取相关信息。

1、钢结构设计防火等级的确定

钢结构设计的防火等级要求需要与建筑专业设计说明保持一致。

依据《建筑设计防火规范》GB 50016 中的相关规定，具体是表 3.2.1 和表 5.1.2。结合具体建筑的防火等级要求，从而精准地确定主要受力构件等的耐火时间要求。

参照《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249 可知，柱间支撑的设计耐火极限需等同于柱的耐火极限；楼盖支撑的设计耐火极限要与梁的耐火极限保持一致；屋盖支撑和系杆的设计耐火极限应和屋顶承重构件的耐火极限相同。

2、钢结构防火涂料的类型和厚度的确定

防火涂料的类型和厚度，要依据《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249 第 3.2.6 条来确定。可以通过耐火极限法进行验算来确定，也可以通过承载力法进行验算来确定，还可以通过临界温度法进行验算来确定。

3、钢结构中斜撑、柱间支撑等构件的防火要求

钢结构构件的设计耐火极限需依据建筑的耐火等级，按照现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016 的相关规定明确。其中，柱间支撑的设计耐火极限需和柱的耐火极限一样。楼盖支撑的设计耐火极限应和梁的耐火极限相等。屋盖支撑和系杆的设计耐火极限要与屋顶承重构件的耐火极限相同。

钢结构节点的防火保护需与被连接构件中防火保护要求最高的构件相同。 钢结构节点的防火保护要和被连接构件里防火保护要求最高的那个保持一致。 钢结构节点的防火保护应当与被连接构件中防火保护要求处于最高水平的构件一样。

二、钢材的屈服强度

图2 钢材应力应变曲线

钢材是弹塑性材料，具有明显屈服平台，从应力应变曲线可见：

一旦外力撤销，钢材能完全恢复至初始状态。

屈服阶段包括 a 至 d 段。在这个阶段，应力的平均值能体现钢材的屈服强度。在这期间，应力处于基本稳定的状态，与此同时，应变却明显地增大了。此段当中，最高点是屈服上限，最低点是屈服下限。

强化阶段是从 d 段到 e 段。在这个阶段，随着应变不断进一步增加，钢材的承载能力会再次提升。这也就意味着材料在发生屈曲之后仍然具备承载能力，而承载能力增加的幅度可以被看作是材料的安全储备。当应力应变曲线到达 e 点的时候，钢材就达到了极限抗拉强度。

从 e 点开始，应变持续增大，钢材的承载能力急剧下降，到 f 点时，构件最终发生破坏。

强屈比与材料特性相关。强屈比为 fu/fy。对于良好的塑性材料而言，应让强屈比尽量增大，这样材料的塑性性能会更好。倘若强屈比过小，那么材料就会呈现出脆性特征。

在弹性阶段，应力与应变存在一个比值，这个比值就是材料的弹性模量 E。并且，其关系能够满足 σ=Eε 。

备注：

三、钢构件设计之尺寸预估

钢框架结构一般情况下，柱子会使用方钢管，梁则会使用 H 型钢。对于构件预估尺寸，其遵循的原则如下：

在钢结构框架里，方管柱和主梁的高度通常是跨度的 1/13 到 1/15 。倘若 x 方向和 y 方向的双向跨度不一样，并且要考虑空间作用的话，就取 1/2（长向预估梁高加上短向预估梁高）。主梁的宽度大概是预估高度的 1/2 稍微弱一些。

在钢结构设计里，次梁预估尺寸是有一定规律的。通常来讲，次梁的高度大概是主梁高度的一半。在翼缘宽度方面，次梁翼缘宽度一般要比主梁翼缘宽度的二分之一大很多，能够表述为是主梁翼缘宽度的“比二分之一多”。

屋盖采用空间桁架，在初设阶段，桁架的高度大约是跨度的二十分之一。与之相比较而言，如果使用实腹式钢梁，其高度是跨度的十三分之一到十五分之一。这样一来，会导致梁的截面较大，自身重量也较重，既不美观，又不经济。

四、钢结构防腐及耐久性

在室内湿度处于 70%以下时，并且温度在 20±10℃的条件下，钢构件的锈蚀发展速度较为缓慢，其截面所产生的损失是可以被忽略不计的。

钢结构在室内环境中，百年的腐蚀率仅为 0.01mm，其腐蚀发展极为缓慢，几乎可以被近似地视为忽略不计。

沿海附近的钢材会受海风影响。每年，它会以 0.06 - 0.12mm 的速度发生锈蚀。在亚硫酸较多的工业地区，锈蚀的速度会更快。

图3 室外钢结构构件的锈蚀不容忽视

锈蚀的发生需要铁、水、氧这三个要素。只要能够避免其中的一个要素，就能够实现防锈。

钢构件设计时，有多种防锈措施可供采取。其一，可以将构件设计为闭口截面并且封闭端部；其二，室外的构件要做好防水工作；其三，对构件的表面进行镀锌（锌铝）或者涂装处理。

在建筑场景里，钢构件大多应用于室内。一般会对其进行耐火包覆或者内装修，并且不会暴露在雨水中，温湿度环境比较温和。因此，防锈工作主要是在施工阶段开展，重点是对建筑物的外围进行防锈处理，能够采用油性涂料、水性涂料、粉末涂装等方式。

钢结构埋入混凝土的那部分通常无需涂装，高强螺栓的摩擦面通常也无需涂装，多数有耐火包覆的部分同样不进行涂装。

若对美观要求较高，可采取重防锈蚀涂装。常规的做法是先把表面进行喷砂处理，接着涂抹厚膜富锌漆，最后覆盖高耐候合成树脂涂料，像环氧树脂、聚氨酯树脂、含氟树脂等这类涂料。

五、钢桁架结构的铰接节点连接形式

设计钢桁架时，把连接节点当作铰接来对待。然而实际上并没有真正的铰接存在，只是因为刚度不够，无法传递弯曲应力。铰接节点在受力时并非可以自由转动。桁架节点汇集的构件越多，角度差别越大，就越难以实现自由转动。桁架节点的实现方式有杆件间直接焊接、节点板焊接、节点板栓接、焊接球以及螺栓球节点等，在建模的时候，这些方式都可以按照铰接来进行处理。

六、钢柱底部与柱脚钢板连接

普通框架的非次要结构连接，应当采用全熔透对接焊缝。柱底与柱脚钢板的连接是极为关键的，需要进行全熔透对接，在柱的下端做出坡口，在背面焊上衬板后再进行施焊，以使二者成为一体，将其视为等强度连接。对于主要结构，不建议用角焊缝来连接柱脚，因为这样会使柱与钢板分离，抗拉能力较弱，单边施焊（针对方管柱）时受力情况会更差。对于次要结构，在临时情况下可以使用四边绕角围焊，但要确保焊接质量。