淺談鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)

1、淺談鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)摘要： 鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中越來越得到廣泛的應(yīng)用，但這種結(jié)構(gòu)耐火性差,遇到高溫會(huì)導(dǎo)致鋼柱、鋼梁的彎曲變形，進(jìn)而影響其在工程中的使用。使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火時(shí)間大于或等于規(guī)定的耐火極限，是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)需要解決的主要問題。目前鋼結(jié)構(gòu)工程中采用直接、有效的基于試驗(yàn)的防火設(shè)計(jì)方法，但同時(shí)又存在很多缺陷，而基于計(jì)算的防火設(shè)計(jì)方法解決了基于試驗(yàn)的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法所存在的問題，是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)發(fā)展的主要方向。本文就鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討，希望能對(duì)相關(guān)工程有所幫助。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu); 耐火極限; 防火設(shè)計(jì); 極限承載力用型鋼或鋼板制成基本構(gòu)件，根據(jù)使用要求，通過焊接或螺栓連接等方法，按照一

2、定規(guī)律組成的承載機(jī)構(gòu)叫鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、抗震性能好、安裝容易、施工周期短、環(huán)境污染少、投資回收快等優(yōu)勢(shì)，可用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。但是鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能很差，通常在450650溫度范圍內(nèi)就會(huì)失去其承載能力，導(dǎo)致鋼柱、鋼梁產(chǎn)生彎曲，最終由于鋼構(gòu)件形變過大不能繼續(xù)使用。一般來說，不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限為15分鐘左右，與建筑物耐火極限標(biāo)準(zhǔn)差距很大，也正是由于這一缺點(diǎn)制約了鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的運(yùn)用和發(fā)展。2001年的“911”恐怖襲擊事件，使得建筑用鋼結(jié)構(gòu)防火能力問題成為首要的安全問題。 雖然鋼是非燃燒材料，但耐火性差，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高溫使結(jié)構(gòu)鋼的剛度

3、和強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)降低，火災(zāi)時(shí)升溫迅速，所以無防火保護(hù)的鋼構(gòu)件很容易在火災(zāi)中被破壞，因此鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的一般要求是：如何確定防火保護(hù)措施，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火時(shí)間大于或等于規(guī)定的耐火極限。 1.基于試驗(yàn)的構(gòu)件防火設(shè)計(jì) 以試驗(yàn)為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)不同類型構(gòu)件在規(guī)定的荷載分布和標(biāo)準(zhǔn)升溫的條件下進(jìn)行耐火試驗(yàn)，采取不同防火措施得到構(gòu)件不同的耐火時(shí)間，根據(jù)不同等級(jí)建筑物耐火時(shí)間的要求，選取對(duì)應(yīng)措施。事實(shí)上，我國(guó)現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GBJl6-87中關(guān)于鋼柱和鋼梁防火措施的要求，就是基于試驗(yàn)的防火設(shè)計(jì)方法。 基于試驗(yàn)的防火設(shè)計(jì)方法效果非常直接、有效，是一種簡(jiǎn)單而又直觀的方法。但同時(shí)又存在很多缺陷，首先，由于建筑物

4、功能區(qū)域越來越復(fù)雜，體形也越來越大，同一建筑物的各組成部分功能相差很大，使得耐火等級(jí)、耐火時(shí)間的確定非常困難；其次，試驗(yàn)中很難對(duì)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，構(gòu)件受力大小對(duì)其耐火時(shí)間的影響也很大，所以進(jìn)行試驗(yàn)有一定的困難；最后，構(gòu)件受火的作用在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而這一影響也很難在構(gòu)件試驗(yàn)中準(zhǔn)確反映。由此可見，早期的防火設(shè)計(jì)方法有時(shí)不太經(jīng)濟(jì)，有時(shí)又難以保證安全。鑒于上述防火設(shè)計(jì)方法的缺陷，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法已開始從基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法，轉(zhuǎn)為基于計(jì)算的現(xiàn)代方法。 2. 基于計(jì)算的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法 以有限元為基礎(chǔ)，建立任意荷載形式和端部約束狀態(tài)的模型，模擬計(jì)算，基本上建立了能考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)影響

5、的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法，又解決了基于試驗(yàn)的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法所存在的問題，是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)發(fā)展的主要方向。 我國(guó)第一部鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上海市鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程(報(bào)批稿)，采用的是基于計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法，計(jì)算過程： 2.1采用確定的防火保護(hù)措施，設(shè)定相應(yīng)的防火被覆層厚度； 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用絕熱、吸熱或耐火材料，來阻隔熱量和火焰，降低鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫速率，使構(gòu)件表面延緩達(dá)到臨界溫度的時(shí)間。主要可以采用以下幾種方法： 1)噴涂法：采用手工涂抹或噴涂，在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面覆蓋防火涂料。其重量輕、施工簡(jiǎn)便、不受鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何形狀的限制，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。例如對(duì)于樓梯用鋼，若采用1040

6、mm 厚的涂料，可將耐火極限時(shí)間延長(zhǎng)到1.53h。對(duì)于隱藏的構(gòu)件，使用珍珠巖進(jìn)行防火噴涂是最經(jīng)濟(jì)有效的方法，噴涂3040mm 厚可將耐火時(shí)間延長(zhǎng)到1.5h，而且還具有一定的防腐功能。 2)屏蔽法：將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件隱藏在由耐火材料組成的吊頂或墻體內(nèi)部。這種保護(hù)方法多用于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)中。 3)包封法：使用輕質(zhì)、耐火的板材，比如珍珠巖板、石膏板、硅酸鈣板等，通過膠黏劑或螺栓、鋼釘?shù)冗B接構(gòu)件將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件包封。在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面澆注混凝土形成耐火磚也是包封法的一種。 4)水冷卻法：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，空心的鋼柱、鋼梁可以連成管網(wǎng)，在其內(nèi)部填滿含有防銹劑、抗凍劑的水溶液，著火時(shí)由于溫差作用，水溶液循環(huán)流動(dòng)，將熱量帶

7、走；或者設(shè)置自動(dòng)淋水裝置，在鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)部設(shè)置噴淋供水管網(wǎng)，遇到明火自動(dòng)噴水，起到防火保護(hù)的效果。 2.2計(jì)算構(gòu)件在確定的防火保護(hù)措施及耐火極限下的內(nèi)部溫度； 2.3利用確定高溫下鋼的材料參數(shù)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)中該構(gòu)件在溫度和外荷載作用下的內(nèi)力。 2.4荷載組合： 其中，S為荷載組合效應(yīng)；為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值；為樓面或屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值(不考慮屋面雪荷載)；為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；為構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的溫度變化(考慮溫度效應(yīng))；為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，取10；為樓面或屋面活荷載分項(xiàng)系數(shù)，取07；為風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)，取0或03；為溫度效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，取10；、分別為永久荷載、樓面或屋面活載、風(fēng)載、溫度變化的效應(yīng)系數(shù)。 2.5根據(jù)構(gòu)件

8、類型及受載情況，對(duì)構(gòu)件耐火承載力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算要求：SR。其中，R為按溫度條件下的構(gòu)件極限承載力。 2.6若設(shè)定的防火被覆層厚度不合適，可將防火被覆層厚度調(diào)整后，重復(fù)上述步驟。 基于計(jì)算的防火設(shè)計(jì)方法，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：考慮多個(gè)影響因素，從實(shí)際的工作條件出發(fā)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行耐火設(shè)計(jì)，從而更接近實(shí)際情況；一改之前構(gòu)件的耐火試驗(yàn)方法，而采用保護(hù)材料的熱物理參數(shù)測(cè)定法，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)工作并大大降低了費(fèi)用。缺陷主要是：目前計(jì)算方法尚未得到統(tǒng)一；計(jì)算過程較為復(fù)雜，不同計(jì)算方法使得計(jì)算結(jié)果差異較大。 3. 基于整體結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)防火設(shè)計(jì) 研究整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的防火設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)主要是作為整體來承受荷載，火災(zāi)

9、中結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件的破壞，并不表示整體結(jié)構(gòu)一定會(huì)破壞，尤其是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，一般情況下，結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件的破壞，會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，結(jié)構(gòu)仍然具有一的定繼續(xù)承載能力。如果結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)是以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)，那么基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行防火設(shè)計(jì)則更為合理。目前火災(zāi)下的結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)分析尚是熱門研究課題，仍沒有提出適宜的工程實(shí)用方法被有關(guān)規(guī)范所采納。 4. 考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì) 眾所周知，火災(zāi)的發(fā)生具有隨機(jī)性，而且火災(zāi)發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，要對(duì)結(jié)構(gòu)防火的概率可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須考慮火災(zāi)和空氣升溫的隨機(jī)性。這一防火設(shè)計(jì)方法目前仍是有待研究的一個(gè)課題，可以作為鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)方向。 5.結(jié)語 鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中會(huì)因高溫和明火的作用發(fā)生變化，受影響的程度主要取決于構(gòu)件的功能、構(gòu)件所處的環(huán)境、保護(hù)措施以及受保護(hù)的程度，鋼構(gòu)件剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性能將隨著溫度的升高而降低、產(chǎn)生變形甚至膨脹。目前建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)的防火要求是最高的。在設(shè)計(jì)和施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)防火的方法、形式雖然較多，并且廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，但目前的研究水平仍然停留在構(gòu)件的耐火性能階段，缺乏整體結(jié)構(gòu)的防火概念。我們應(yīng)加大力度開展鋼結(jié)構(gòu)防火領(lǐng)域的研究，盡量避免一些不應(yīng)該發(fā)生的事故，建設(shè)一個(gè)美好和諧的社會(huì)。 參考文獻(xiàn)： 【1】 GB500172003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范. 【2】 洪菲菲淺談