由于鋼材在火災下結構承載力迅速下降，容易發生結構坍塌而造成重大人員傷亡。所以，對于鋼結構防護方法的研究十分重要。鋼結構的防火保護方法分為被動保護法和主動保護法，被動防火法主要原理是隔絕高溫和冷卻，主要通過防火涂料、混凝土、防火板、防火卷簾等方式阻止高溫向鋼結構蔓延；主動防火方法則是通過改變鋼材內部分子結構或者加入合金提高其自身的耐火性能（如耐火鋼）。

鋼結構防火涂料通常分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。膨脹型防火涂料一般用于室內鋼結構的防火，非膨脹型防火涂料一般適用于室外鋼結構防火。目前，對室內防火涂料的相關研究較為廣泛，但對室外非膨脹型防火涂料的研究較為缺乏。

GB 14904-2002《鋼結構防火涂料》規定厚型鋼結構防火涂料的涂層厚度在7~45mm.在鋼結構防火涂料施工過程中，對于防火涂料厚度沒有明確規定，只提出要達到涂料規定的厚度。由于公共建筑的危險等級存在差異，重要的公共建筑需要加強防護。所以，防火涂料厚度的選擇很重要。在保證建筑安全的前提下，如何高效、經濟地利用防火涂料是重要課題。筆者研究室外非膨脹型防火涂料厚度對鋼結構內部溫度的影響，從定量角度進行分析，以期為鋼結構防火涂料施工提供依據。

1 熱傳遞理論基礎

熱量傳遞最基本的3種方式為熱傳導、熱對流和熱輻射。鋼結構在火災中同時受到以上3種熱傳遞。當防火涂料涂于鋼材料表面時，鋼構件表面和防火涂料之間是以熱傳導的方式進行熱傳遞的，而防火涂料受到火源的熱輻射和與空氣之間熱對流兩種方式的熱傳遞，如圖1所示。

由于采用ISO 834標準溫升作為溫度荷載，所以對于火焰輻射向防火涂料表面傳遞的熱量不予考慮。

1.1對流換熱過程

對流換熱所傳遞的熱量的計算以牛頓冷卻公式為基礎，對流傳熱的換熱量φ與換熱表面積A以及防火涂料和空氣之間的溫度差（tw-tf）成正比，熱對流用牛頓冷卻公式描述，如式（1）所示。

φ=hfA（tw-tf） （1）

式中：φ為傳遞的熱量，W;hf為對流換熱系數，W/（m2·K）；tw為防火涂料表面溫度，K;tf為空氣溫度，K.

1.2熱傳導過程

熱傳導為兩個完全接觸的物體之間或一個溫度的不同部分之間，由于溫度梯度而引起的內能的交換。熱傳遞遵循傅里葉定律，如式（2）所示。

φ=-k（dT/dx）·A（2）

式中：φ為傳遞的熱量，W;k為導熱系數，W/（m·K）；dT/dx為單位距離上的溫度梯度，負號表示熱量從溫度高的方向流向溫度低的方向。

對于導熱問題，各點溫度與相鄰溫度均有聯系，不能直接利用傅里葉定律積分求解。導熱微分方程揭示了連續物體內的溫度分布與空間坐標和時間的內在聯系，根據導熱微分方程求解火災下鋼表面溫度隨時間的變化情況。通過傅里葉定律和能量守恒方程，可以得到導熱微分方程，如式（3）所示。



式中：α為熱擴散率，α=λ/ρc,m2/s;φ·為單位時間內單位體積物體自身發熱生成的熱量，W/m3.

2 材料的熱物性質和有限元模型的建立

物理模型是內徑為30mm,外徑為40mm的有限長鋼柱，鋼柱的受火面涂刷防火涂料。為保證數據結果的有效性，筆者采取4種導熱系數不同的防火涂料，防火涂料的物理性質由相應廠家提供。防火涂料厚度為10~45mm,間隔5mm取值，共8組數據。

2.1材料的熱物性質

熱傳導系數指在單位溫度梯度條件下，單位面積上在單位時間內傳遞的熱量。與防火涂料相比，鋼材的熱傳導系數很好，在鋼材的厚度不是很大時，厚度方向上的溫度梯度接近于零，可按照截面溫度均勻來計算。

比熱容指單位質量的物質溫度升高或降低1 ℃時所吸收或釋放的熱量。溫度達到725 ℃時，鋼材的比熱迅速增大，原因是鋼材的內部顆粒成分和結構發生變化，當內部顆粒成分與結構穩定后，鋼材的比熱又迅速回落。

根據歐洲規范EURO-CODE3《鋼結構規范》，鋼材在高溫下的熱傳導系數、比熱容，如表1所示。防火涂料的導熱系數的差異對導熱影響較大，也是防火涂料之間存在的主要差異，筆者采用4種導熱系數不一樣的防火涂料，以降低數值模擬的偶熱性。不同防火涂料之間比熱容的差異對鋼結構溫度影響不大，4種 防 火 涂 料 的 比熱容隨溫度的變化一致，防火涂料的比熱和導熱系數均由生產廠家提供，如表2、表3所示。

2.2有限元模型的建立

由于圓柱形鋼柱在火災情況下的溫度荷載呈軸對稱分布，為提高計算速度和計算精度，可以將問題簡化成軸對稱問題進行研究，進行單元設置時，將PLANE55單元的K3項選 擇 為Axisymmrtric.基 于ANSYS的 有 限 元模型，如圖2所示。