钢材是本世纪最为创新的建筑材料，在高层建筑钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构等当今现代建筑工程中有着广泛的应用及发展前景。本文介绍了钢结构的火灾危险性、钢结构的火灾灾害等，指出钢结构防火保护的重要性并介绍了目前最常用的防火涂料对钢结构的防火保护。
现代建筑已经告别了过去“秦砖汉瓦”的时代向着钢结构的“钢筋铁骨”迈进，钢结构已在建筑工程中发挥着独特且日益重要的作用。
近几年来，我国建筑钢结构处于建国以来最好的一个发展时期，钢结构正从高层钢结构、大跨度空间钢结构、轻型钢结构等几个方面，在建筑工程中越来越广泛的使用。
1 钢结构的火灾危险性
1.1 钢结构高温下应力变化
普通建筑用钢（中国国家标准GB700-88《碳素结构钢》和GB1591-1994《低合金结构钢》要求的Q235、Q345钢等）在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右。一般在300～400℃时，其强度开始迅速下降；到500℃左右，其强度下降到40％～50％，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度，也就是低于建筑结构的承载许用应力，“钢筋铁骨”就变成了“绕指柔”。 我国20世纪90年代初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证，确认了I36b、I40b标准工字钢梁的耐火极限分别为15min、16min。因此，若用没有防火保护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体，一旦发生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财产安全造成严重的损失。图1、图2分别给出了钢结构在高温下钢结构的应力应变曲线、钢结构在高温下的折减系数。
1.2 钢结构建筑的火灾案例
1969年12月19日上海文化广场发生火灾，在15分钟左右的时间内，8600m2 的钢屋架全部倒塌，造成13死亡，140多人受伤的惨剧(1)；1993年5月，上海某纺织厂厂房（钢屋架）发生火灾，不到半小时，部分建筑就开始倒塌，给消防队灭火带来了极大的困难，此次火灾造成直接经济损失87万元，而由于厂房被烧毁，因停工停产和善后处理造成的间接经济损失为2283万元；1993年11月的青岛格尔木炼油厂火灾，炉体支柱（钢结构）因高温破坏，使炉体倾倒；1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320 m2厂房烧塌；1998年5月5日，北京玉泉营环岛家具城大火，结构防火未达标，造成1.3万m2钢结构轻体建筑全部倒塌，造成直接经济损失达到人民币2087万。国外也有许多这方面的实例，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10厘米左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；2001年9月11日，震惊世界的“911事件”中被飞机撞毁的纽约世界贸易大楼姊妹楼，事后专家分析认为，其实飞机并没有将大楼撞倒，而是由于飞机在撞到大楼的同时破坏了大楼钢结构上的防火涂层，并爆炸起火，使得钢结构暴露在熊熊烈火中，在一个多小时后，结构软化，强度丧失，终于载不动如此沉重的负担，轰然倒下，造成几千人命丧废墟，损失多达几百亿美元，给周边地区的经济以沉重的打击。
2 钢结构的火灾危险性防治
2.1 钢结构防火的意义
(1)减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人
(2)。
(2)避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；
(3)减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。
2.2 钢结构防火涂料
目前，钢结构的防火保护有多种方法，这些方法主要有：钢结构防火涂料保护、防火板保护、混凝土防火保护、柔性卷材防火保护、耐火钢、结构内通水冷却等。选择钢结构的防火措施时，应考虑下列因素：钢结构所处部位，需防护的构件性质；钢结构采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间；防护材料的可靠性；施工难易程度和经济性。这其中以钢结构防火涂料保护方法应用范围最为广阔，效率最高。
钢结构防火涂料刷涂或喷涂在钢结构表面，起防火隔热作用，防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度，避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。钢结构防火涂料施工简便，无须复杂的工具即可施工、重量轻、造价低，而且不受构件的几何形状和部位的限制。国外自上世纪50年代以来就采用防火涂料施涂钢结构表面，火灾时能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构的耐火极限，满足建筑防火设计规范要求，减少建筑物钢结构火灾灾害。从20世纪80年代初期起，在我国兴建的由国外设计的工程开始采用钢结构防火涂料，到1985年左右，国内一些科研单位和厂家开始研究生产钢结构防火涂料。经过近20年的发展，无论从产品品种、质量还是应用范围，生产厂家都有长足的发展。与此同时，国家也颁布了该产品的相关技术标准和规范，如GB14907－94《钢结构防火涂料通用技术条件》、GBJ205《钢结构工程施工与验收规范》、中国工程建设标准化协会标准CECS24:90《钢结构防火涂料应用技术规范》等。这对发展我国钢结构防火涂料的生产起了极大的推动作用。
2.2.1 钢结构防火涂料有效保护案例
1989年3月，在北京国际贸易中心B区宴会厅发生了一次意外火灾，堆在大厅内的1000多立方的管道保温材料被大火化为灰烬，大火持续了近3小时，大厅现浇混凝土楼板被烧蚀6厘米多厚，钢筋全部外露，造成10多万美元的直接经济损失，但用防火涂料保护的大跨度钢梁，经过3小时的火灾，防锈漆颜色未变，没有丝毫变形，避免了一次包括大厦可能垮塌的重大经济损失；1993年11月，安徽省马鞍山市体育馆火灾中，经受1小时的火灾考验，喷有防火涂料的球节网架没有变形，防火涂料有效地保护了结构
(3)
钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义：从所用溶剂来分，可分为溶剂型和水基型钢结构防火涂料；从使用范围分，可分为室内和室外钢结构防火涂料；根据防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚型、薄型、超薄型钢结构防火涂料（见表1）。
钢结构防火涂料各项性能指标依据国家标准GB14907-94《钢结构防火涂料通用技术条件》技术要求来判定产品质量，具体指标见表2。目前GB14907-94正在修订，在广泛征求意见的基础上，新标准将对室外涂料及超薄型涂料的试验方法和性能要求作专门规定，并对原标准内容作部分调整，使标准得到充实和完善，如室外涂料将规定耐久性（耐曝热、耐湿热、耐酸、耐碱、耐冻融循环、耐盐雾腐蚀）检验，各类涂料增加腐蚀性技术要求，少数原有技术要求会被取消，如抗弯性、抗振性、热导率等，但作为检验项目可继续保留，由生产企业自行决定
（４）。
国家现行建筑设计防火规范：中华人民共和国国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—95(1997年版）、中华人民共和国国家标准《建筑设计防火规范》GBJ16—87、中华人民共和国国家标准《建筑室内装修设计防火规范》GB 50222—95对钢结构的耐火极限要求见表3
(5) (6)。
2.2.2 超薄型钢结构防火涂料
该类钢结构防火涂料涂层超薄（小于3mm），一般为溶剂型体系，具有优越的黏结强度、耐候耐水性好、流平性好、装饰性好等特点；在受火时缓慢膨胀发泡形成致密坚硬的防火隔热层，该防火层具有很强的耐火冲击性，延缓了钢材的温升，有效保护钢构件。超薄膨胀型钢结构防火涂料施工可采用喷涂、刷涂或辊涂，一般使用在耐火极限要求在2 小时以内的建筑钢结构上。目前国内外，已出现了耐火性能达到或超过2 小时的超薄型钢结构防火涂料新品种，它主要是以特殊结构的聚甲基丙烯酸酯或环氧树脂与氨基树脂、氯化石蜡等复配作为基料粘合剂，附以高聚合度聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺等为防火阻燃体系，添加钛白粉、硅灰石等无机耐火材料，以200号溶剂油为溶剂复合而成。目前各种轻钢结构、网架等多采用该类型防火涂料进行防火保护。由于该类防火涂料涂层超薄，工程中使用量较厚型、薄型钢结构防火涂料大大减少，从而降低了工程总费用，又使钢结构得到了有效的防火保护，是目前市场上大力推广的品种。
通过对超薄型钢结构防火涂料的热失重(TG)曲线分析，我们可以将涂料的作用分为四个阶段：
(1)平稳阶段：这一阶段为室温20℃～230℃，这期间失重仅为2%左右，主要是涂料中未挥发的溶剂和其它易挥发份，这可以在其耐火实验时看到，涂料的表层起火，这主要是涂料内的挥发份着火所致。此时，涂料中的成膜物质开始熔融软化，由差热分析(DTA)曲线可以看出在180℃温度左右，有一小的吸热峰，约为47J/g，这主要是成膜物质熔融软化吸收了外部能量。
(2)发泡炭化阶段：这一阶段为230℃～420℃，这期间失重为43%左右，这阶段是涂料发挥作用的过程，主要是涂料中防火阻燃体系中的发泡剂三聚氰胺首先热分解，释放出不燃性气体NH
３，同时成膜物质中部分成分分解产生NH
３、HCl和水蒸气等促使第一阶段已熔融软化的成膜物质持续地膨胀发泡，形成泡沫层，此时脱水催化剂聚磷酸铵分解成聚偏磷酸，与成炭剂双季戊四醇、成膜物质等含羟基有机化合物发生化学反应，脱水成炭，在泡沫层中形成炭骨架，最后生成致密坚硬的黑色蜂窝状炭化层。蜂窝状炭化层的厚度要比原有涂层厚度大几十倍，其导热系数接近于空气的导热系数（约为2.33×10
－５W/(m
2•K)），因此可以有效的隔绝外部热源，保护钢结构基材。这其中要求成膜物质、发泡剂、脱水催化剂、成炭剂必须有良好的匹配性，否则就不能够形成理想的炭化层。由差热分析(DTA)曲线可以看出在330℃温度左右，有一强的吸热峰，约为350J/g，主要是为这阶段复杂的发泡炭化过程吸收了外部能量，以使反应得以顺利的进行。
(3)失炭阶段：这一阶段为420℃～770℃，这期间失重为18%左右，这主要是炭化层中的碳逐渐被氧化成CO
２而逸出体系，同时有一部分炭化层由于附着力不够而被气流带走。从差热分析(DTA)曲线可以看出在560℃、670℃温度左右，分别有一强的放热峰，约为830J/g、250J/g，主要是炭化层中的碳逐渐被氧化而释放出能量。
(4)无机层阶段：这一阶段为770℃～1000℃以后，这期间失重为0.24%左右，这主要是炭化层中碳被氧化逸出后，剩余的约37%的无机材料形成了白色无机骨架，防火涂料在火场后期（大约45分钟以后），主要是这些无机骨架在起到防火隔热的作用。通过对这些白色物质进行X 射线衍射分析得知，其主要成分是焦磷酸钛形成的多孔物质，它是由聚磷酸铵和颜填料TiO2反应生成的。其反应式及结构谱图分别如下：
2.2.3 薄型钢结构防火涂料
这类钢结构防火涂料一般是用合适的水性聚合物作基料，再配以阻燃剂复合体系、防火添加剂、耐火纤维等组成，其防火原理同超薄型。对这类防火涂料，要求选用的水性聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性。其装饰性优于厚型防火涂料，逊色于超薄型钢结构防火涂料，一般耐火极限在2小时以内。因此常用在小于2 小时耐火极限的钢结构防火保护工程中，常采用喷涂施工。该类产品，在一个时期占有很大的比例，但随着超薄型钢结构防火涂料的出现，其市场份额逐渐被替代。
2.2.4 厚型钢结构防火涂料
厚型钢结构防火涂料是指涂层厚度为8mm～50mm的防火涂料，其耐火极限可达0.5～3小时，甚至更长时间。
由于厚型防火涂料的成分多为无机材料，因此其防火性能稳定，长期使用效果较好，但其涂料组分的颗粒较大，涂层外观不平整，影响建筑的整体美观，因此大多用于结构隐蔽工程。该类防火涂料在火灾中利用材料粒状表面，密度较小，热导率低或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢材。这类防火涂料是用合适的无机胶结料（如水玻璃、硅溶胶、磷酸铝盐、耐火水泥等），再配以无机轻质绝热骨料材料（如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海抱石、漂珠、粉煤灰等）、防火添加剂、化学药剂和增强材料（如硅酸铝纤维、岩棉、陶瓷纤维、玻璃纤维等）及填料等混合配制而成，具有成本较低的优点。施工常采用喷涂，适用于耐火极限要求在2小时以上的室外内隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构。如：高层民用建筑的柱、一般工业与民用建筑中的支承多层的柱的耐火极限均应达到3小时，需采用该厚型防火涂料保护。厚型防火涂料按使用环境来分，有室内和室外两种类型
（７）。
矿物棉类建筑防火隔热涂料是继我国厚涂型建筑防火涂料一珍珠岩系列，氯氧镁水泥系列防火涂料之后的又一重要防火涂料系列，在我国尚属空白，它与珍珠岩类防火涂料相比，其主要特点是作为隔热填料的矿物纤维对涂层强度可起到增强的作用，可应用于地震多发的地区或常受震动的建筑物，并能起到防火、隔热、吸音之作用。矿物棉类建筑防火隔热涂料主要有矿物纤维防火隔热涂料、隔热填料，其主要成分是矿物棉、粘结材料一般是水泥，在现场采用于法喷涂施工，即纤维经分散后与粘结材料一起用高压空气输送至喷口处，然后与分布于喷口周围的高雾化水混合喷射至待涂表面。能够获得密度较小的徐层，从而能减轻整个建筑物的重量，降低建筑物负荷。目前，国外已广泛使用快干型矿物棉类防火涂料，在施工条件差的建筑工地使用时，具有施工方便、成本低、干燥时间短等优点。
2.2.5 防火涂层厚度的确定
涂装钢结构防火涂料的钢基材表面应严格除水、除锈，经喷砂除锈达到Sa2.5级标准，手工除锈达到St3级以上，除锈后的表面采用酚醛红丹或环氧防锈漆作防腐处理。工程设计中是根据防火涂料涂敷在I36b工字钢钢梁上，耐火试验得出的耐火极限数据以及防火规范规定的耐火极限要求确定防火涂层的厚度，但实际钢结构构件与试件的规格并不相符。在“技术规范”中提供了美国的试验室提出的计算公式并作了简化，使之从只能折算钢梁的涂层厚度，扩大到可以折算钢柱的涂层厚度。当用厚涂型防火涂料（即W
1/D
1≥22，T
1≥9mm）、耐火极限t≥1小时时，其计算式如下
(8)：
一般在防火涂料产品的说明书中只列出耐火极限和相应的涂层厚度，只有在耐火极限的试验报告中，才能看出耐火试验时所用的型钢规格及涂层厚度。因此，对超薄型和薄涂型防火涂料层的厚度，一般还是以耐火试验时涂层厚度为依据，并适当留有余地以增加安全性；对厚涂型防火涂料，在石化工程设计中，实际上不可能对不同的构件设计成不同的涂层厚度。
目前在设计中对整个装置的钢结构都是按同一耐火极限设计成同一厚度，为了利于防火，应考虑构件规格因素，在同样涂层厚度时，在选材上对热轧工字钢宜采用较大的型号，对焊接H型钢在同种型号中宜采用腹板较厚的规格。在装置内也应针对不同构筑物的重要性来进行不同耐火极限的设计。
此外，钢结构防火涂料在应用工程中，应按照中国工程建设标准化协会标准CECS24-90《钢结构防火涂料应用技术规范》的规定要求施工，对于上海地区的工程可以参照上海市工程建设规范DG/TJ08-008-2000《建筑钢结构防火技术规程》执行。
3 总结
虽然钢结构由于其独特的性能被广泛应用于建筑场合，但是由于其固有的不耐火的缺点，我们在应用中，要采取不同的方法手段来解决这个问题，关键是由场合、耐火极限要求、成本等因数综合考虑，可以单独采用一种方法，或采用几种方法配合来达到我们的设计要求。
参考文献：
[1]李国强等著，钢结构抗火计算与设计，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，钢结构，2000, (3):47～49
[3]袁佑民，钢结构建筑的防火保护，工业建筑，1996, 26(9):60～62
[4]国家标准GB14907-94《钢结构防火涂料通用技术条件》
[5]国家标准GB 50045-95（1997年版）《高层民用建筑设计防火规范》
[6]国家标准GBJ16-87《建筑设计防火规范》
[7]A. P. Yaylor, F. R. Sale, Thermal analysis of intumescent coatings, Polymer Paint Colour Journal, 1992, 3, Vol. 182, 123-126
[8]中国工程建设标准化协会标准CECS24:90《钢结构防火涂料应用技术规范》
