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防火涂料设计思路总结及常见设计问题(二)
作者：nvslch 张庐
前言：本文是对前篇《防火涂料设计思路总结及常见设计问题》的补充，对读者提的主要问题进行了解答，同时给出一个简单防火算例，方便读者理解防火设计的主要流程。
一、几个常用知识点
1.目前和防火设计有关的规范汇总
1）《建筑设计防火规范(2018版)》(GB50016-2014)
2）《钢结构防火涂料应用技术规程》(T/CECS24-2020)
3）《建筑构件耐火试验方法第1~9部分》（GB/T9978.1~9-2008）
4）《建筑钢结构防火技术规范》(GB51249-2017)
5）《钢结构防火涂料》(GB14907-2018)
2.GB50016-2014及老版CECS24设计要求很简单，用表格形式给出涂层厚度和耐火时间的对应关系，在GB51249-2017颁布之后，应该是不能用了,但是其刷涂厚度范围可供设计参考。
膨胀（薄涂）型防火涂料性能
涂层厚度(mm)
3
5.5
7
耐火时间(h)
0.5
1.0
1.5
非膨胀（厚涂）型防火涂料性能
涂层厚度(mm)
15
20
30
40
50
耐火时间(h)
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.GB51249-2017中4.1.3.4条要求非膨胀型防火涂料厚度不应小于10mm。而GB14907-2018中5.1.5条要求非膨胀型防火涂料厚度不应小于15mm，膨胀型防火涂料厚度不应小于1.5mm，设计时需留意应按GB14907-2018。
4.关于防火涂料设计和检验要求，前篇文章讲过，应提供等效热阻，不能只提供耐火时间。
下图为不满足GB51249-2017中5.3.3条要求的某涂料检验报告：
下图为满足GB51249-2017中5.3.3条要求的某涂料检验报告：
5.关于常用等效热阻值的取值，可按GB51249-2017中6.2.2条文说明，取值范围在0.01~0.5。等效热阻值越大（即刷涂厚度越厚或涂料性能越高），涂料防护性能就越好，构件在耐火时间内升温就越低，构件在高温下就越不容易屈服。
6.按GB51249-2017公式5.1.2-2估算高温下钢材强度折减系数如下：
温度(°C)
300
400
500
600
700
强度折减系数
1.0
0.94
0.71
0.45
0.23
上表可见，在常规条件下，一般构件在耐火时间内升温到500~600°C时就有可能屈服。可结合GB51249-2017简化公式6.2.3进行升温估算，初步确定构件所要求的等效热阻。
7.目前常用的软件防火计算，YJK采用承载力法，3d3s同时采用承载力法和临界温度法。有读者提出，有时遇到软件对同一构件计算，两种方法计算结果当量相差很大的问题。这是因为按临界温度法计算时，GB51249-2017中表7.2.1~7.2.5-2均未提供强度或稳定荷载比R<0.30和>0.90时的临界温度，则对于强度或稳定荷载比低于R<0.30或>0.90时构件，可能会出现两种方法计算结果当量相差很大的情况。此时应采用承载力法计算。
8.按GB51249-2017中3.2.5条，网架、桁架等以受轴心拉压为主的构件，应考虑热膨胀效应对内力的影响。
9.按GB51249-2017中3.1.2条条文说明，仅支撑屋面板的檩条，耐火极限不做要求。
10.按GB51249-2017中8.2.1条条文说明，组合楼板中的压型钢板仅作施工模板时，不需要进行防火保护。
二、简单防火设计案例
下面是一个简单的花纹钢板楼面防火设计案例，之所以选花纹钢板楼面，一是可仅计算单轴受弯强度，不用计算稳定，过程较为简单；二是目前常用的软件仅计算梁柱构件的防火，本例计算楼板防火，可作为软件的补充。计算条件如下（注：本例荷载取值偏大，计算楼板挠度4.4mm（1/159L），其常规计算结果可能不满足实际工程要求，读者可忽视）。
某钢结构平台，楼面采用7mm花纹钢板(Q235B)，次梁间距700mm，楼面计算模式为单向简支受弯，恒荷载包括楼板自重为5.5kN/m2，活荷载为5.5kN/m2，活荷载频遇值系数Ψf=0.7，楼板设计耐火极限60min，耐火等级二级，楼板按四面受火，双面刷膨胀型防火涂料，楼板截面形状系数Fi/V=2/0.007=285.7。
单位宽度恒荷载下弯矩标准值：
KN*m
单位宽度活荷载下弯矩标准值：
KN*m
常规计算弯矩设计值：
KN*m
常规计算楼板应力比：
耐火计算前先判定楼板是否需要做楼板防护，查GB51249-2017中6.2.1条文说明表10，无防护构件耐火时间60min时，构件形状系数285.7，构件温度将达到942°C以上，此时钢材强度基本丧失，说明应进行楼板防护。
耐火计算时做简化处理，忽略楼板升温下的温度内力（GB51249-2017中3.2.5条文说明，对于受弯构件，可不考虑热膨胀效应，且火灾下构件的边界约束和在外荷载作用下的内力可采用常温下的边界约束和内力）
耐火计算弯矩设计值：
KN*m（GB51249-2017公式3.2.2-1）
楼板升温计算（GB51249-2017简化公式6.2.3），假设等效热阻Ri=0.15：
(°C)
按承载力法计算：
高温下钢材屈服强度折减系数ηsT=0.346（GB51249-2017公式5.1.2-2）
高温下钢材强度fT=ηsTf=0. 346*215=74.4N/mm2（GB51249-2017公式5.1.2-1）
火灾下构件强度验算
（GB51249-2017公式7.1.3）
按承载力法计算满足。
按临界温度法计算：
截面强度荷载比
（GB51249-2017公式7.2.3-1）
查GB51249-2017表7.2.1，按内插法确定R为0.326时的临界温度Td=651.5(°C)
耐火极限下构件最大升温
，按临界温度法计算满足。
即楼板设计等效热阻
，两种方法计算结果相当，均已接近限值。
参考某型号防火涂料检验报告：涂层厚度为1.50mm时，试验等效热阻为0.1537，略大于设计等效热阻，故采用该型号涂料时，最小涂层厚度可取1.50mm。
以下为检验报告相关内容：
注意此时标准耐火试验的时间最低为5100S（85min）,已超过60min！！！如仅按标准耐火试验时间为60min的试验厚度确定楼板防火涂层厚度（耐火试验时间为60min时的等效热阻为0.0952），则不满足楼板防火设计要求。
以下为检验报告相关内容：
三、承载力法和临界温度法防火设计流程对比
参考文章：
1.结构设计中“见微知著”之四—结构防火设计简介其一（by nvslch）
2.结构设计中“见微知著”之五—结构防火设计中篇（by nvslch）
3.结构设计中“见微知著”之五—结构防火设计终结篇（by nvslch）