由于钢材在火灾下结构承载力迅速下降，容易发生结构坍塌而造成重大人员伤亡。所以，对于钢结构防护方法的研究十分重要。钢结构的防火保护方法分为被动保护法和主动保护法，被动防火法主要原理是隔绝高温和冷却，主要通过防火涂料、混凝土、防火板、防火卷帘等方式阻止高温向钢结构蔓延；主动防火方法则是通过改变钢材内部分子结构或者加入合金提高其自身的耐火性能（如耐火钢）。
钢结构防火涂料通常分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料一般用于室内钢结构的防火，非膨胀型防火涂料一般适用于室外钢结构防火。目前，对室内防火涂料的相关研究较为广泛，但对室外非膨胀型防火涂料的研究较为缺乏。
GB 14904-2002《钢结构防火涂料》规定厚型钢结构防火涂料的涂层厚度在7~45mm.在钢结构防火涂料施工过程中，对于防火涂料厚度没有明确规定，只提出要达到涂料规定的厚度。由于公共建筑的危险等级存在差异，重要的公共建筑需要加强防护。所以，防火涂料厚度的选择很重要。在保证建筑安全的前提下，如何高效、经济地利用防火涂料是重要课题。笔者研究室外非膨胀型防火涂料厚度对钢结构内部温度的影响，从定量角度进行分析，以期为钢结构防火涂料施工提供依据。
1 热传递理论基础
热量传递最基本的3种方式为热传导、热对流和热辐射。钢结构在火灾中同时受到以上3种热传递。当防火涂料涂于钢材料表面时，钢构件表面和防火涂料之间是以热传导的方式进行热传递的，而防火涂料受到火源的热辐射和与空气之间热对流两种方式的热传递，如图1所示。
由于采用ISO 834标准温升作为温度荷载，所以对于火焰辐射向防火涂料表面传递的热量不予考虑。
1.1对流换热过程
对流换热所传递的热量的计算以牛顿冷却公式为基础，对流传热的换热量φ与换热表面积A以及防火涂料和空气之间的温度差（tw-tf）成正比，热对流用牛顿冷却公式描述，如式（1）所示。
φ=hfA（tw-tf） （1）
式中：φ为传递的热量，W;hf为对流换热系数，W/（m2·K）；tw为防火涂料表面温度，K;tf为空气温度，K.
1.2热传导过程
热传导为两个完全接触的物体之间或一个温度的不同部分之间，由于温度梯度而引起的内能的交换。热传递遵循傅里叶定律，如式（2）所示。
φ=-k（dT/dx）·A（2）
式中：φ为传递的热量，W;k为导热系数，W/（m·K）；dT/dx为单位距离上的温度梯度，负号表示热量从温度高的方向流向温度低的方向。
对于导热问题，各点温度与相邻温度均有联系，不能直接利用傅里叶定律积分求解。导热微分方程揭示了连续物体内的温度分布与空间坐标和时间的内在联系，根据导热微分方程求解火灾下钢表面温度随时间的变化情况。通过傅里叶定律和能量守恒方程，可以得到导热微分方程，如式（3）所示。
式中：α为热扩散率，α=λ/ρc,m2/s;φ·为单位时间内单位体积物体自身发热生成的热量，W/m3.
2 材料的热物性质和有限元模型的建立
物理模型是内径为30mm,外径为40mm的有限长钢柱，钢柱的受火面涂刷防火涂料。为保证数据结果的有效性，笔者采取4种导热系数不同的防火涂料，防火涂料的物理性质由相应厂家提供。防火涂料厚度为10~45mm,间隔5mm取值，共8组数据。
2.1材料的热物性质
热传导系数指在单位温度梯度条件下，单位面积上在单位时间内传递的热量。与防火涂料相比，钢材的热传导系数很好，在钢材的厚度不是很大时，厚度方向上的温度梯度接近于零，可按照截面温度均匀来计算。
比热容指单位质量的物质温度升高或降低1 ℃时所吸收或释放的热量。温度达到725 ℃时，钢材的比热迅速增大，原因是钢材的内部颗粒成分和结构发生变化，当内部颗粒成分与结构稳定后，钢材的比热又迅速回落。
根据欧洲规范EURO-CODE3《钢结构规范》，钢材在高温下的热传导系数、比热容，如表1所示。防火涂料的导热系数的差异对导热影响较大，也是防火涂料之间存在的主要差异，笔者采用4种导热系数不一样的防火涂料，以降低数值模拟的偶热性。不同防火涂料之间比热容的差异对钢结构温度影响不大，4种 防 火 涂 料 的 比热容随温度的变化一致，防火涂料的比热和导热系数均由生产厂家提供，如表2、表3所示。
2.2有限元模型的建立
由于圆柱形钢柱在火灾情况下的温度荷载呈轴对称分布，为提高计算速度和计算精度，可以将问题简化成轴对称问题进行研究，进行单元设置时，将PLANE55单元的K3项选 择 为Axisymmrtric.基 于ANSYS的 有 限 元模型，如图2所示。
