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【摘 要】 近年来，随着城市化进程的不断推进，城市可利用的空间也越来越小，从而推动了城市高层以及超高层建筑的高速发展，而钢结构在高层建筑以及超高层建筑中也得以大量采用，在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。本文介绍了高层建筑钢结构抗火设计的基本方法与高层钢结构的建筑特点，阐述了钢结构建筑的火灾危险性。
【关键词】 高层建筑钢结构;抗火设计;防火措施
建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但在很长时间里运用的都是石材，木材等。随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，其中钢材是其中普遍采用的一种。而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，近年来，钢结构更加广泛应用于公共建筑中，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。
1.高层建筑钢结构抗火设计的基本方法
结构抗火设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法：
1.1基于试验的构件抗火设计方法。
基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。但是该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时间的影响很大。
1.2基于计算的构件抗火设计方法。
从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所采用。文献[4]总结了在火灾下构件抗火设计的计算方法：梁的最终极限状态分析法;利用柱的曲屈曲线法;梁-柱构件的变形法和数值方法等。屈立军[5]采用简单的温度模型和理想塑性应力-应变曲线作为高温下钢材的本构关系，得出纯弯、拉弯和压弯构件的临界温度计算公式。计算中只考虑了强度的降低，没考虑温度应力的影响。
1.3基于计算的结构抗火设计方法
基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标，认为火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是超静定钢结构体系，当结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，整体结构仍有一定的承载能力。基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的，但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法。
1.4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法
基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标，考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究，但成果还不多。人们认为这是结构抗火设计的发展方向。
2.高层钢结构的建筑特点
2.1预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短。
钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本;并且加快了施工速度，使工期能够缩短40%以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。
2.2建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化。
钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。
2.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求。
钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度較大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这类型建筑成为标志性建筑。
2.4原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展。
发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。
3.钢结构建筑的火灾危险性
3.1耐火性能差。
钢材本身不燃烧，却不耐高温，其机械性能如屈服点、弹性模量、抗压强度、荷载能力等均会应温度的升高而急剧下降，当钢构件温度达到350、500、600摄氏度时，强度分别下降1/3、1/2、2/3。据理论计算，全负荷钢构失去静态平衡稳定性的临界温度为540摄氏度。而且钢构件由单一材料组成，导热系数大（是混凝土的40倍），在高温作用下，热量会迅速传导至内部，温升快，科学实验和火灾实例均表明，裸露钢构的耐火时间仅15分钟，不如普通木柱的耐火时间。
3.2跨度大、空间大，火灾蔓延迅速。
跨度大、空间大是钢结构建筑的显著特点，而且大部分钢结构建筑无明显有效的防火分隔，门窗多，内部空气流通好，可燃物料多，一旦发生火灾，热辐射强，烟雾浓，燃烧猛烈，在强大热气流的作用下，火势迅速向垂直、水平方向蔓延，形成大面积火灾。 3.3整体连接性强，易变形倒塌。
钢结构作为承重构件，在火灾状态下，遇高温受热膨胀，强度降低，再遇冷水急剧收缩，脆性增强，极易失去支撑作用。由于钢结构整体连接性强，只要局部遭到破坏，就能形成建筑物的整体坍塌和毁灭。
4.高层建筑钢结构的防火措施
对于高层建筑钢结构，除了进行基本的抗火设计，还必须考虑可行的防火保护措施，将两者紧密的结合起来。钢结构防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。常用防火措施现行基本有以下几种：
4.1喷涂法。
该方法采用专门设备将一定厚度防火涂料直接喷在钢结构构件表面上，具有造价较低、施工快速、复杂的细部亦容易覆盖等优点，视防火层厚度的大小抗火时间也有所不同，最高可达4个小时。但由于喷涂表面不平整，影响美观。故适用于比较隐蔽的钢构件。防火涂料一般由硅石添加粘结剂或矿物纤维制成。
4.2防火板隔离法。
将表面平整的防火材料板采用机械方法螺栓连接或捆扎环绕固定在钢构件的四周，一般做成箱状，将构件和周围火环境隔离，以达到降低构件的受热速度，确保构件在一定的防火时效内不致达到其极限温度。由于防火板可在工厂批量生产，所以具有厚度一致、品质保證、干净无污染等优点。其外表平整、美观，故较为适用于外露构件如钢柱的防火处理，大部分产品抗火时间可达到4小时。但对于结构复杂的细部施工较困难，装配速度较慢。
4.3膨胀漆覆盖法。
将一定厚度的膨胀漆采用喷涂、刷或抹的方式在经过一定处理的构件表面形成一层保护膜，最高可满足2小时的抗火时间要求。膨胀漆防火材料覆盖层遇高温时能够自然澎胀成泡沫状，形成一层很厚的隔热毯，其厚度可达原防火层厚度的数十倍，以降低钢构件的升温速率。该方法可作为钢构件的表面装修，具有施工迅速且易于在复杂的结构细部施工等优点，但大都不适合潮湿的环境，仅适用于干燥的室内环境。视材料防火性能的不同，该方法造价可高可低。
4.4水泥砖块填充法。
对于某些截面的H型钢柱，在其翼缘和腹板之间的空隙处填入水泥砖以降低构件表面的曝火面积，同时使断面上产生不同的温度区域，从而达到降低构件的受热速率，提高其抗火性能的目的。单独采用该方法可能达到30分钟的抗火时间，如果需要更高的抗火时效，则须对暴露的钢构件表面施以其它的防火处理。
4.5水冷却法。
将空心的钢柱（或钢梁）连成管网，其内充满含抗冻剂、防锈剂的水溶液，通过着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带走;也可以设置自动水淋装置，在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动喷水，在钢构件表面形成一道致密的连续流动的水膜，从而起到防火保护作用.
5.结束语
高层建筑钢结构抗火设计方面的研究虽然已经取得一定的成果，但是仍有许多亟待解决的问题。对于钢结构的抗火设计我国还没有具体的、系统的方法及要求。另外，与国外相比，国内的研究相对滞后，特别是在试验研究和数值模拟分析方面。对于结构设计工作者来说，也应将抗火设计融入钢结构的设计概念中，通过多渠道学习，了解并加以运用。
参考文献：
[1]李国强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
[2]李国强.钢结构抗火设计方法的发展[J].钢结构，2000（3）.
[3]杜娟，魏德敏.钢结构抗火研究[J].科技情报开发与经济，2003（9）.
【关键词】 高层建筑钢结构;抗火设计;防火措施
建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但在很长时间里运用的都是石材，木材等。随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，其中钢材是其中普遍采用的一种。而以钢结构为主体的建筑是现代空间结构发展的主流，近年来，钢结构更加广泛应用于公共建筑中，我国目前不仅能生产各种类型的建筑钢材，同时钢材生产的新技术、新工艺、新产品日益也增多，如彩钢压型板、彩钢复合板、彩钢扣板、拱形厂房及彩钢制品等的生产，使建筑结构充满现代化时代气息，实际证明钢结构建筑在我国更具有广阔的发展前景。
1.高层建筑钢结构抗火设计的基本方法
结构抗火设计的目的是钢结构构件在无防火措施时及防火措施被破坏或失效时，作为纯钢材构件，在火灾下，在结构设计必须使结构能在规定的时间内，结构构件不至于达到承载力或变形的极限状态。现代高层建筑钢结构的抗火设计主要有四种方法：
1.1基于试验的构件抗火设计方法。
基于试验的构件抗火设计方法简单直观、便于应用。我国现行的规范关于钢梁钢柱的防火措施就是基于这种方法。但是该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。其次，试验不能准确模拟构件在结构中的实际受力情况和端部约束，而受力的大小和端部约束对构件耐火时间的影响很大。
1.2基于计算的构件抗火设计方法。
从20世纪70年代之后，结构抗火设计方法转为基于构件计算的现代方法。基于计算的钢结构构件抗火设计方法的理论分析主要是用有限元方法，也有一些采用经典解析分析方法，基本建立了考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计方法。目前这种方法仍被一些国家的钢结构设计规范所采用。文献[4]总结了在火灾下构件抗火设计的计算方法：梁的最终极限状态分析法;利用柱的曲屈曲线法;梁-柱构件的变形法和数值方法等。屈立军[5]采用简单的温度模型和理想塑性应力-应变曲线作为高温下钢材的本构关系，得出纯弯、拉弯和压弯构件的临界温度计算公式。计算中只考虑了强度的降低，没考虑温度应力的影响。
1.3基于计算的结构抗火设计方法
基于计算的结构抗火设计方法以防止整体结构倒塌为目标，认为火灾下单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是超静定钢结构体系，当结构局部或少数构件发生破坏，将引起结构的内力重分布，整体结构仍有一定的承载能力。基于整体结构极限承载能力的抗火设计是更为合理的，但目前还没有提出被规范采纳的工程实用方法。
1.4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法
基于火灾随机性的结构抗火设计方法以结构的概率可靠度为目标，考虑火灾及空气升温的随机性。这方面的研究涉及火灾学等其他相关学科的研究，但成果还不多。人们认为这是结构抗火设计的发展方向。
2.高层钢结构的建筑特点
2.1预工程化程度高，建设成本降低，工期缩短。
钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本;并且加快了施工速度，使工期能够缩短40%以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。
2.2建筑与结构的设计与功能一体化，使建筑更富有功能化。
钢结构建筑中，结构成为形象构成的重要因素，结构的形体，构件，节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化，才能使建筑更富有功能化以便随后的各个设计环节进行下去，创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。
2.3钢结构建筑能够满足超高度和超跨度的要求。
钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体，强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度較大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求，使这类型建筑成为标志性建筑。
2.4原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展。
发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大，因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。
3.钢结构建筑的火灾危险性
3.1耐火性能差。
钢材本身不燃烧，却不耐高温，其机械性能如屈服点、弹性模量、抗压强度、荷载能力等均会应温度的升高而急剧下降，当钢构件温度达到350、500、600摄氏度时，强度分别下降1/3、1/2、2/3。据理论计算，全负荷钢构失去静态平衡稳定性的临界温度为540摄氏度。而且钢构件由单一材料组成，导热系数大（是混凝土的40倍），在高温作用下，热量会迅速传导至内部，温升快，科学实验和火灾实例均表明，裸露钢构的耐火时间仅15分钟，不如普通木柱的耐火时间。
3.2跨度大、空间大，火灾蔓延迅速。
跨度大、空间大是钢结构建筑的显著特点，而且大部分钢结构建筑无明显有效的防火分隔，门窗多，内部空气流通好，可燃物料多，一旦发生火灾，热辐射强，烟雾浓，燃烧猛烈，在强大热气流的作用下，火势迅速向垂直、水平方向蔓延，形成大面积火灾。 3.3整体连接性强，易变形倒塌。
钢结构作为承重构件，在火灾状态下，遇高温受热膨胀，强度降低，再遇冷水急剧收缩，脆性增强，极易失去支撑作用。由于钢结构整体连接性强，只要局部遭到破坏，就能形成建筑物的整体坍塌和毁灭。
4.高层建筑钢结构的防火措施
对于高层建筑钢结构，除了进行基本的抗火设计，还必须考虑可行的防火保护措施，将两者紧密的结合起来。钢结构防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。常用防火措施现行基本有以下几种：
4.1喷涂法。
该方法采用专门设备将一定厚度防火涂料直接喷在钢结构构件表面上，具有造价较低、施工快速、复杂的细部亦容易覆盖等优点，视防火层厚度的大小抗火时间也有所不同，最高可达4个小时。但由于喷涂表面不平整，影响美观。故适用于比较隐蔽的钢构件。防火涂料一般由硅石添加粘结剂或矿物纤维制成。
4.2防火板隔离法。
将表面平整的防火材料板采用机械方法螺栓连接或捆扎环绕固定在钢构件的四周，一般做成箱状，将构件和周围火环境隔离，以达到降低构件的受热速度，确保构件在一定的防火时效内不致达到其极限温度。由于防火板可在工厂批量生产，所以具有厚度一致、品质保證、干净无污染等优点。其外表平整、美观，故较为适用于外露构件如钢柱的防火处理，大部分产品抗火时间可达到4小时。但对于结构复杂的细部施工较困难，装配速度较慢。
4.3膨胀漆覆盖法。
将一定厚度的膨胀漆采用喷涂、刷或抹的方式在经过一定处理的构件表面形成一层保护膜，最高可满足2小时的抗火时间要求。膨胀漆防火材料覆盖层遇高温时能够自然澎胀成泡沫状，形成一层很厚的隔热毯，其厚度可达原防火层厚度的数十倍，以降低钢构件的升温速率。该方法可作为钢构件的表面装修，具有施工迅速且易于在复杂的结构细部施工等优点，但大都不适合潮湿的环境，仅适用于干燥的室内环境。视材料防火性能的不同，该方法造价可高可低。
4.4水泥砖块填充法。
对于某些截面的H型钢柱，在其翼缘和腹板之间的空隙处填入水泥砖以降低构件表面的曝火面积，同时使断面上产生不同的温度区域，从而达到降低构件的受热速率，提高其抗火性能的目的。单独采用该方法可能达到30分钟的抗火时间，如果需要更高的抗火时效，则须对暴露的钢构件表面施以其它的防火处理。
4.5水冷却法。
将空心的钢柱（或钢梁）连成管网，其内充满含抗冻剂、防锈剂的水溶液，通过着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带走;也可以设置自动水淋装置，在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动喷水，在钢构件表面形成一道致密的连续流动的水膜，从而起到防火保护作用.
5.结束语
高层建筑钢结构抗火设计方面的研究虽然已经取得一定的成果，但是仍有许多亟待解决的问题。对于钢结构的抗火设计我国还没有具体的、系统的方法及要求。另外，与国外相比，国内的研究相对滞后，特别是在试验研究和数值模拟分析方面。对于结构设计工作者来说，也应将抗火设计融入钢结构的设计概念中，通过多渠道学习，了解并加以运用。
参考文献：
[1]李国强，蒋首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.
[2]李国强.钢结构抗火设计方法的发展[J].钢结构，2000（3）.
[3]杜娟，魏德敏.钢结构抗火研究[J].科技情报开发与经济，2003（9）.