门式刚架钢结构防火设计方法

1、Word文档 门式刚架钢结构防火设计方法 0、引言 2021年3月29日，住建部发布建科函202152号住房和城乡建设部、应急管理部关于做好移交 承接建设工程消防设计审查验收职责的通知，限期各地应在2021年6月30日前全部完成消防救援机构向住房和城乡建设主管部门移交建设工程消防设计审核、消防验收、备案和抽查工作。由于与地震相比，发生火灾的概率更大，各地住建部门对消防工作更加重视，对设计要求更加严格。钢结构以外的建筑工程消防设计主要由建筑、水、电和通风专业完成，但钢结构工程由于涉及构件在火灾下的承载力计算，结构专业也卷入其中。虽然建筑钢结构防火技术规范GB51249-2021（以下简称钢结构防

2、火规范）已发布数年，但许多设计和审图人员对该规范仍不熟识，没有严格执行，而建筑工程一旦发生火灾，事故调查部门首先就是审查图纸设计是否满意国家有关规范 ，假如不满意，设计和审查人员将担当相应责任，严峻时设计将担当法律责任。随着设计终身责任制的广泛宣扬和各地住建部门对消防设计、验收越来越重视，越来越多的设计单位和审查机构开头重视钢结构工程的防火设计了。但钢结构防火规范比较简单，完全吃透并不简单。笔者对钢结构防火设计问题两年前就开头重视，审图时对未进行钢结构防火设计的图纸均提出审查看法。设计人员在收到审查看法后，借助设计程序，基本能完成钢结构防火设计。 为抛砖引玉，笔者将自己总结的门式刚架轻型房屋钢

3、结构防火审查看法供应给大家。该审查看法是针对建筑耐火等级为二级的门式刚架轻型房屋钢结构（以下简称门刚结构）的，对于其他钢结构工程，防火设计审查看法在此基础上进行适当增减即可。 本文篇幅较长，第2部分比较简单，对于大部分读者不需阅读，只需阅读第1、3、4、5节，然后借助设计程序（如PKPM）就可完成防火设计；对于不仅要知其然还要之其所以然的读者需要全文阅读。 1、门刚结构防火设计通用审查看法 （1）按建筑钢结构防火技术规范GB51249-2021（以下简称钢结构防火规范） 第3.2.1条、第3.1.2条，钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计，当钢结构构件的耐火极限阅历算低于设计

4、耐火极限时，应实行防火爱护措施。 （2）供应钢结构耐火验算与防火设计的计算书及防火设计结果简图。 （3）按钢结构防火规范第3.1.1条，柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）的设计耐火极限与钢柱相同，屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）的设计耐火极限与屋面钢梁相同，因此，除对刚架的钢柱、屋面钢梁进行防火设计外，还应对柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）进行防火设计计算。 （4）应按钢结构防火规范第3.1.3条注明：钢结构节点的防火爱护与被连接构件中防火爱护要求最高者相同。 （5）按钢结构防火规范第3.1.4条及条文说明： 1）应注明建筑耐火等级：二级； 2）应注明设

5、计耐火极限：钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）为2.50小时；屋面钢梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）为1.0小时（见钢结构防火规范第3.1.1条及条文说明）； 3）应注明钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）采纳非膨胀型防火涂料（厚型），应注明防火爱护层的等效热阻Ri、等效热传导系数i和防火爱护层厚度（即防火涂料的涂层厚度，下同）di，且di不应小于15mm（见钢结构防火涂料GB14907-2021第5.1.5条）。 4）应注明屋面钢梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）是采纳膨胀型防火涂料（薄型），还是采纳非膨胀型防火涂料（厚型）。当采纳膨胀型防火涂料（薄型）时，只需注明防火爱

6、护层的等效热阻Ri，但防火爱护层厚度不应小于1.5mm（见钢结构防火涂料GB14907-2021第5.1.5条）；当采纳非膨胀型防火涂料（厚型）时，应注明防火爱护层的等效热阻Ri、等效热传导系数i和防火爱护层厚度di，且di不应小于15mm。 5）图中注明的Ri、i、di应和防火设计结果简图及计算书全都； （6）应按钢结构防火规范第3.1.5条注明：当施工所用防火爱护材料的等效热传导系数i与设计文件要求不全都时，应依据防火爱护层的等效热阻Ri相等的原则确定爱护层的施用厚度di，并应经设计单位认可。对于非膨胀型钢结构防火涂料（厚型），可按钢结构防火规范附录A确定防火爱护层的施用厚度；对于膨胀型防

7、火涂料（薄型），可依据涂层的等效热阻Ri直接确定其施用厚度。 （7）应按钢结构防火规范第4.1.3.5条注明：防火涂料与防腐涂料应相容、匹配。 （8）防火涂料应满意钢结构防火涂料GB14907-2021标准。 2、审查看法的逐条解释： 第（1）条审查看法：按建筑钢结构防火技术规范GB51249-2021（以下简称钢结构防火规范）第3.2.1条、第3.1.2条，钢结构应按结构耐火承载力极限状态进行耐火验算与防火设计，当钢结构构件的耐火极限阅历算低于设计耐火极限时，应实行防火爱护措施。 解释如下： 1）钢结构防火设计不需进行正常使用极限状态验算，只需进行承载力极限状态验算。钢结构防火规范第3.2.

8、1条条文说明指出：随着温度的上升，钢材的弹性模量急剧下降，在火灾下构件的变形显著大于常温受力状态，按正常使用极限状态来设计钢构件的防火爱护是过于严苛的。因此，火灾下允许钢结构发生较大的变形，不要求进行正常使用极限状态验算。 钢结构防火规范第3.2.6条规定，钢结构构件的耐火验算与防火设计，可采纳耐火极限法、承载力法或临界温度法。该条条文说明指出，三种耐火验算结果是完全相同的，耐火验算时只需采纳其中之一即可。PKPM程序采纳的是临界温度法。 2）人工采纳临界温度法进行钢结构耐火验算与防火设计的步骤应按钢结构防火规范第7.2节条文说明进行： 第一步：按钢结构防火规范第3.2.2条计算构件最不利荷载

9、（作用）效应组合设计值。 钢结构防火规范第3.2.2条计算的构件最不利荷载（作用）效应组合是依据国家标准建筑牢靠度统一设计标准GB50068-2021、建筑结构荷载规范GB50009-2021中关于偶然设计状况的荷载（作用）效应组合原则制定的，恒载、楼面或屋面活荷载和风荷载等取火灾发生时的最可能消失值。此外，还应考虑按火灾下结构的温度标准值计算的荷载效应值。至于地震作用，不需考虑，由于地震过后，建筑常常发生火灾等次生灾难，但在火灾过程中再发生较大地震的大事为微小概率大事。（见钢结构防火规范第3.2.2条条文说明） 其次步：依据构件和荷载类型，按钢结构防火规范第7.2.1条第7.2.7条计算构件

10、的临界温度Td。 临界温度Td是指钢构件受火灾作用达到其耐火承载力极限状态时的温度，可依据截面强度荷载比R或R查表7.2.1表7.2.5得到。荷载比R或R越大（相当于构件截面越小），临界温度Td越小。由于表7.2.1表7.2.5中R或R0.9,因此当R或R0.9时，将无法进行防火设计，也就是说当构件截面较小时，可能在不考虑防火设计时承载力牵强满意，但防火设计时防火爱护层厚度很大，甚至于无法进行防火设计，此时，应加大构件截面。（截面强度荷载比R或R相当于不考虑防火计算时的应力比） 第三步：按钢结构防火规范第6.2.1条计算无防火爱护构件在设计耐火极限tm时间内的最高温度Tm。 采纳钢结构防火规范

11、第6.2.1条计算出的达到耐火极限那一刻的TS就是Tm。该条条文说明指出，式（6.2.1-1）是增量公式，需逐步迭代计算，手工计算很麻烦。钢结构防火规范第6.2.1条条文说明表10给出了无防火爱护的钢构件按式（6.2.1-1）计算的温度Tm，可依据无防火爱护钢构件的截面外形系数F/V(单位为m-1)和耐火极限tm查得。截面外形系数F/V是指钢构件受火表面积与其相应的体积之比，按钢结构防火规范第6.2.1条条文说明表9公式计算。 第四步：当TdTm时，构件耐火力量满意要求，可不进行防火爱护；当TdTm时，构件耐火力量不满意要求，应进行防火爱护，按下面第五步、第六步确定构件所需的防火爱护。 绝大多

12、数状况下，都是TdTm，需进行防火爱护。如下面（第六步）例子中Td=621.49。C ，无爱护下钢构件最大升温（Ts）即为Tm，Tm= Ts =1081.71。C，TdTm，应进行防火爱护。 极少数状况下（荷载比小，截面外形系数很小，耐火极限小）才会消失TdTm，不需进行防火爱护。例如某轴心受拉构件，荷载比R=0.3，截面为直径d=0.25m圆形，耐火极限为1.0小时，查钢结构防火规范第7.2.1条表7.2.1，临界温度Td=663。C；按钢结构防火规范第6.2.1条条文说明表9，截面外形系数F/V=4/d=4/0.25=16 （m-1), 查钢结构防火规范第6.2.1条条文说明表10（线性插

13、值法），无防火爱护钢构件的温度Tm=627。C。TdTm，构件耐火力量满意要求，可不进行防火爱护。但实际上荷载比R=0.3的状况很少消失，由于这样截面太大，铺张。 第五步：确定防火爱护方法（门刚结构一般采纳喷涂防火材料爱护），计算有防火爱护钢构件的截面外形系数Fi/V(单位为m-1)。 有防火爱护钢构件的截面外形系数Fi/V(单位为m-1)计算方法见钢结构防火规范第6.2.2条第2款。对于外边缘型防火爱护（如喷涂防火涂料爱护），有防火爱护钢构件的截面外形系数Fi/V与无防火爱护钢构件的截面外形系数F/V相等。 第六步：按钢结构防火规范第7.2.8条、第7.2.9条确定防火爱护的厚度。 例如：某

14、工程钢柱1的参数如下 ： 截面外形系数Fi/V=225（1/m），临界温度Td =621。C，耐火极限（耐火时间）tm=2.50小时=2.5x60 x60=9000s，根据钢结构防火规范第7.2.8条式（7.2.8-1），防火爱护层的等效热阻Ri=5x10-5x( Fi/V)/( Td-Ts0)/ tm +0.22-0.044=5x10-5x225/( 621-20)/ 9000 +0.22-0.044=0.414 m2*oC/W,与程序计算结果0.4345 m2*oC/W基本全都。本例题中采纳非膨胀性防火涂料（厚型），等效热传到系数 i按0.05W/（m*oC）输入，根据钢结构防火规范第7.

15、2.8条式（7.2.8-2），防火爱护层厚度 di=Rii=0.414x0.05=0.207（m）=20.7（mm），与程序计算结果21.72mm基本全都。 第（2）条审查看法：供应钢结构耐火验算与防火设计的计算书及防火设计结果简图。 解释：程序在进行耐火验算与防火设计之后，便生成防火设计结果简图，如下图： 设计供应防火设计结果简图后，审图人员可对比审查图中注明的防火爱护层的等效热阻Ri、防火爱护层厚度di是否正确（本例子中等效热传到系数i按0.05W/（m*oC）输入）。 第（3）条审查看法：按钢结构防火规范第3.1.1条，柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）的设计耐火极限与钢柱相同，屋盖支撑

16、（SC）和屋盖系杆（XG）的设计耐火极限与屋面钢梁相同，因此，除对刚架的钢柱、钢梁进行防火设计外，还应对柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）进行防火设计计算。 解释： 1）一般柱间支撑用符号ZC表示，屋盖支撑用符号SC表示，柱间系杆和屋盖系杆均用符号XG表示，当采纳其他符号表示时，应相应修改。 2）柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）可人工进行防火设计，也可利用程序进行防火设计。利用PKPM程序进行设计时，可在工具箱中计算。笔者在审图中发觉，许多设计没有对柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）另

17、行进行防火设计，而是采纳柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）的防火爱护同钢柱的防火爱护，屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）防火爱护同钢梁的防火爱护的做法。在风荷载较小、门刚结构高度和跨度较小、柱间支撑（ZC）数量较多时，这样处理偏于平安；当风荷载较大、门刚结构高度和跨度较大、柱间支撑数量较少时，这样处理可能偏于担心全。 第（4）条审查看法：应按钢结构防火规范第3.1.3条注明：钢结构节点的防火爱护与被连接构件中防火爱护要求最高者相同。 解释：钢结构的节点也应进行防火爱护，且应与被连接构件中防火爱护要求最高者相同。 第（5）条审查看法：按钢结构防火规范第3.1.4条及条文说明： 1）应注明建筑耐火

18、等级：二级； 2）应注明设计耐火极限：钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）为2.50小时；屋面钢梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）为1.0小时（见钢结构防火规范第3.1.1条及条文说明）。 3）应注明钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）采纳非膨胀型防火涂料（厚型），应注明防火爱护层的等效热阻Ri、等效热传导系数i和防火爱护层厚度（即防火涂料的涂层厚度，下同）di，且di不应小于15mm（见钢结构防火涂料GB14907-2021第5.1.5条）。 4）应注明屋面钢梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）是采纳膨胀型防火涂料（薄型），还是采纳非膨胀型防火涂料（厚型）。当采纳膨胀型防火涂料

19、（薄型）时，只需注明防火爱护层的等效热阻Ri，但防火爱护层厚度不应小于1.5mm（见钢结构防火涂料GB14907-2021第5.1.5条）；当采纳非膨胀型防火涂料（厚型）时，应注明防火爱护层的等效热阻Ri、等效热传导系数i和防火爱护层厚度di，且di不应小于15mm。 5）图中注明的Ri、i、di应和防火设计结果简图及计算书全都。 解释： 1）本条说明为建筑耐火等级为二级的说明，当为其他等级时，应相应修改。 2）本条说明为没有夹层的门刚结构说明，当存在夹层时，还应注明夹层楼面梁、楼盖支撑的耐火等级。 3） 钢结构防火规范第4.1.3条第2款规定：设计耐火极限大于1.50小时的构件，不宜选用膨胀

20、性防火涂料。由于钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）耐火极限为3.00小时（一级）、2.50小时（二级）、2.00小时（三级），因此按该条规定，耐火等级为一级、二级和三级的钢柱、柱间支撑（ZC）和柱间系杆（XG）应采纳非膨胀性防火涂料（厚型），不应采纳膨胀性防火涂料（薄型）。至于非膨胀型防火涂料（厚型）的最小厚度，钢结构防火规范和钢结构防火涂料GB14907-2021规定不同：前者第4.1.3条第4款规定：非膨胀型防火涂料涂层厚度不应小于10mm，后者第5.1.5条规定：非膨胀型钢结构防火涂料涂层厚度不应小于15mm。因此从严要求非膨胀型防火涂料爱护层厚度di不应小于15mm。 4）屋面钢

21、梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）设计耐火极限为1.5小时（一级）、1.0小时（二级）、0.5小时（三级）、不要求（四级），均不大1.5小时，因此，屋面钢梁、屋盖支撑（SC）和屋盖系杆（XG）可采纳膨胀型防火涂料（薄型），也可采纳非膨胀型防火涂料（厚型）。 当采纳膨胀型防火涂料（薄型）时，图中只需注明防火爱护层的等效热阻Ri，其厚度在施工时依据详细防火涂料按以下方法确定：防火涂料供应商应供应最大使用厚度、最小使用厚度的等效热阻Ri以及防火涂料使用厚度按最大使用厚度与最小使用厚度之差的1/4递增的等效热阻Ri，然后据此采纳线性插值法确定防火层厚度di（见钢结构防火规范第7.2.8条条文说明）

22、。例如，某种膨胀型防火涂料供应商供应的参数如下：厚度di为2.0mm（最小厚度）时对应的等效热阻Ri为0.10m2*oC/W，厚度di为3.0mm时对应的等效热阻Ri为0.15 m2*oC/W，厚度di为4.0mm时对应的等效热阻Ri为0.20 m2*oC/W，厚度di为5.0mm时对应的等效热阻Ri为0.25 m2*oC/W，厚度di为6.0mm（最大厚度）时对应的等效热阻Ri为0.30 m2*oC/W。假如某工程屋面钢梁采纳该膨胀型防火涂料，计算需要的防火爱护层的等效热阻Ri不应小于0.25 m2*oC/W，则厚度di不应小于5.0mm。 当采纳非膨胀型防火涂料（厚型）时，应注明防火爱护层

23、的等效热阻Ri、等效热传导系数i和防火爱护层厚度di。它们之间的关系为：di=Rii。（见钢结构防火规范第7.2.8条第2款） 5）防火设计结果简图和计算书中有各个构件的防火爱护层的等效热阻Ri，当为非膨胀型防火涂料（厚型）时，还给出防火爱护层厚度di，应取钢梁（钢柱）全部构件中最大的等效热阻Ri和di在图中注明。图中注明的非膨胀型防火涂料（厚型）等效热传导系数i也应与计算书中输入的全都。 第（6）条审查看法：应按钢结构防火规范第3.1.5条注明：当施工所用防火爱护材料的等效热传导系数i与设计文件要求不全都时，应依据防火爱护层的等效热阻Ri相等的原则确定爱护层的施用厚度，并应经设计单位认可。对

24、于非膨胀型钢结构防火涂料（厚型），可按建筑钢结构防火技术规范 GB51249-2021附录A确定防火爱护层的施用厚度；对于膨胀型防火涂料（薄型），可依据涂层的等效热阻直接确定其施用厚度。 解释：采纳PKPM程序进行防火计算时，非膨胀型防火爱护材料（厚型）的等效热传导系数i内定为0.10 W/（m*oC），可修改。当施工所用防火爱护材料的等效热传导系数i与图中注明的不全都时，应依据防火爱护层的等效热阻Ri相等的原则确定爱护层的施用厚度，即根据钢结构防火规范附录A的式（A-1）计算：di2 = di1i2/i1。其中：di2为施工时采纳的防火爱护层厚度；di1为图中注明的防火爱护层厚度；i2为施工

25、时采纳的非膨胀型防火涂料（厚型）的等效热传导系数；i1为图中注明的非膨胀型防火涂料（厚型）的等效热传导系数。 第（7）条审查看法：应按钢结构防火规范第4.1.3.5条注明：防火涂料与防腐涂料应相容、匹配。 解释：钢结构防火规范第4.1.3.5条条文说明指出：应特殊留意防火涂料与防腐涂料的相容性问题，尤其是膨胀型防火涂料，由于它与防腐油漆同为有机材料，可能发生化学反应。在不能出具第三方证明材料证明防火材料、防腐涂料相容的状况下，应托付第三方进行试验验证。膨胀型防火涂料、防腐油漆的施工挨次为：防腐底漆、防腐中间漆、防火涂料、防腐面漆，在施工时应掌握防腐底漆、中间漆的厚度，避开由于防腐底漆、中间漆的

26、高温变性导致防火涂层的脱落，避开因面漆过厚、过硬而影响膨胀型防火涂料的发泡膨胀。 第（8）条审查看法：防火涂料应满意钢结构防火涂料GB14907-2021标准。 解释：市场上防火涂料鱼目混珠，因此应明确防火涂料应满意钢结构防火涂料GB14907-2021标准。 3、有关参数问题 （1）高温下钢材的物理参数热膨胀系数s、热传到系数s、比热容cs和密度s按钢结构防火规范第5.1.1条表5.1.1取值，PKPM程序也按此取值，不能修改； （2）防火爱护材料的物理参数： 1）防火爱护材料比热容ci：钢结构防火规范没有规定取值，PKPM程序内定为1000J/(kg*oC)。笔者从有关资料查得，当温度从2

27、0 1000 oC变化时，ci从11871676J/(kg*oC)变化。PKPM程序内定为1000J/(kg*oC)偏于平安。 2）防火爱护材料的密度i：钢结构防火规范没有规定取值，PKPM程序内定为680kg/m3。钢结构防火涂料GB14907-2021第5.2.1条、第5.2.2条规定：干密度不大于500 kg/m3（室内）和650（室外）kg/m3。 3）对于防火涂料，由于其属于轻质防火爱护层（见钢结构防火规范第6.2.2条条文说明），按钢结构防火规范第6.2.2条第2款式（6.2.2-3）、式（6.2.2-4），与防火爱护材料比热容ci和密度i无关，因此ci、i取值不影响结果。 4、圆

28、钢支撑防火设计问题 在门刚结构中，圆钢柱间支撑（ZC）、圆钢屋盖支撑（SC）应用特别多。对于柱间支撑（ZC），门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2021第8.2.3条规定，除有吊车时牛腿以下必需采纳型钢柱间交叉支撑外，其余状况下均可采纳圆钢柱间支撑（ZC）；对于屋盖支撑（SC），门式刚架轻型房屋钢结构技术规范GB51022-2021第8.3.2条规定，除屋面斜梁承受悬挂吊车荷载时屋盖横向支撑必需选用型钢柱间交叉支撑外，其余状况下均可采纳圆钢屋盖支撑（SC）。因此，圆钢支撑（ZC和SC）的防火设计特别重要。 由于圆钢支撑（ZC和SC）直径一般不大于25mm，假如采纳非膨胀型防火涂料（

29、厚型），厚度至少15mm，施工太困难，即使牵强施工，由于其刚度小，简单产生震惊、变形，厚度较大的防火涂料会脱落。因此，屋盖圆钢支撑（SC）尽可能采纳膨胀型防火涂料（薄型），同时由于屋盖支撑（SC）设计耐火极限为1.5小时（一级）、1.0小时（二级），均不大1.5小时，也能满意钢结构防火规范第4.1.3条第2款设计耐火极限大于1.50小时的构件，不宜选用膨胀性防火涂料的规定。 对于柱间圆钢支撑（ZC），笔者建议，耐火等级为三级的门式刚架的柱间支撑（耐火极限为2.0小时）和耐火等级为二级的单层厂房（仓库）的门式刚架的柱间支撑（按钢结构防火规范第3.1.1条条文说明注：2耐火极限可为2.0小时）也采纳膨胀型防火涂料（薄型）。由于钢结构防火规范第4.1.3条第2款用词为不宜，表示在条件允许时必