建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能及改善

1、.建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的改善張 軍（馬鞍山市公安局花山分局消防科，安徽 馬鞍山 243000）摘 要：鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的一種形式，在建筑業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。本文分析了建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能較差的原因，指出對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行一定的防火處理。最后介紹了幾種改善鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的改善方法。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；耐火性能；防火設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Improvements of fire-resistant capability of steel structure in buildingZHANG Jun（ Fire Fighting Section ,Maanshan Public Safety Bu

2、reau Huashan Branch, Maanshan 243000,China）Abstract：As one kind of structure, steel structure is widely used in architecture and building industry. Reasons why steel structure is relatively poor are analyzed in this paper, disposal must be done to steel structure in building. In the end, several met

3、hods that can improve fire-resistant capability of steel structure are introduced.Key words：steel structure；fire-resistant capability；fire resistant design 前言鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工進(jìn)度快、結(jié)構(gòu)占用面積少、工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，它與混凝土結(jié)構(gòu)相比，環(huán)保且更有利于建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因而高層、超高層建筑和一些有特殊要求的工業(yè)與民用建筑采用鋼結(jié)構(gòu)的較多。目前，我國是世界鋼產(chǎn)量第一的國家，有關(guān)部門正在研究進(jìn)一步在房屋建筑中擴(kuò)

4、大鋼結(jié)構(gòu)的使用范圍。但從防火角度看，鋼結(jié)構(gòu)雖然是不燃燒體，但很不耐火。由于混凝土材料價(jià)格低廉，可塑性好，耐火性能好，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍然是住宅建筑中應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料。因此提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能是推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵。只有提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能才能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑的優(yōu)勢(shì)。1鋼結(jié)構(gòu)耐火性能分析1.1火災(zāi)情況下鋼材主要性能的變化鋼結(jié)構(gòu)最致命的弱點(diǎn)是鋼的耐火性能非常差，鋼的內(nèi)部晶體組織對(duì)溫度非常敏感，溫度升高或者降低都會(huì)使鋼材性能發(fā)生變化，鋼結(jié)構(gòu)通常在450650時(shí)就會(huì)失去承載能力，發(fā)生很大的形變，導(dǎo)致鋼柱、鋼梁彎曲，結(jié)果因變形過大而不能繼續(xù)使用。圖1、圖2、圖3為鋼材的機(jī)械

5、性能與溫度的關(guān)系曲線。從曲線可以看出，總的趨勢(shì)是隨著溫度的升高，鋼材的強(qiáng)度降低,變形增大。在200以內(nèi)，鋼材性能沒有很大變化：430540之間強(qiáng)度急劇下降；600時(shí)強(qiáng)度很低不能承擔(dān)荷載，此外在250附近有蘭脆現(xiàn)象，約260320時(shí)有徐變現(xiàn)象。蘭脆現(xiàn)象指溫度在250左右的區(qū)間內(nèi)，抗拉強(qiáng)度局部性提高，屈服強(qiáng)度有所回升，強(qiáng)度提高而塑性降低，材料有轉(zhuǎn)脆現(xiàn)象。徐變現(xiàn)象指在260320的區(qū)間內(nèi)，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形的現(xiàn)象。結(jié)合200以內(nèi)材料性能無大變化的性能看，結(jié)構(gòu)表面所受輻射溫度應(yīng)不超過200，目前鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)規(guī)定這個(gè)溫度以150為宜，超過這一溫度就應(yīng)該采取防火隔熱保護(hù)。1.

6、2鋼材耐火極限鋼雖然為不燃燒材料，但卻是熱的良導(dǎo)體，一旦遇到高溫火焰其支撐力便會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)遭到破壞。根據(jù)鋼構(gòu)件耐火實(shí)驗(yàn)得到的鋼構(gòu)件耐火極限為：式中：t 耐火極限，min；Ts鋼構(gòu)件溫度，；F/V構(gòu)件的截面系數(shù)，等于單位長度構(gòu)件的受火面積與其體積的比值，m-1。實(shí)驗(yàn)表明，常用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限只有1530min。說明未覆蓋耐火保護(hù)層的鋼構(gòu)件的耐火極限距離防火規(guī)范的要求距離很大，根本不能滿足火災(zāi)情況下對(duì)建筑防火的要求，必須對(duì)普通鋼構(gòu)件覆蓋耐火保護(hù)層。其應(yīng)用的實(shí)際效果已經(jīng)得到多起火災(zāi)的檢驗(yàn)。如某石化企業(yè)80萬噸/年重油催化裂化裝置冷換框架二層平臺(tái)上的一個(gè)臥式柴油中間罐（封油罐）因管線法蘭處的石棉

7、墊片存在裂紋，造成柴油從法蘭處泄露，滴落到平臺(tái)下方未保溫的高溫蒸汽管線，引起柴油自燃而起火，火災(zāi)中由于柴油罐受熱后發(fā)生油品外溢，迅速在框架平臺(tái)的一層和二層形成較大范圍的流淌火災(zāi)。由于該裝置按照防火技術(shù)規(guī)范，對(duì)裝置框架平臺(tái)的承重鋼結(jié)構(gòu)覆蓋了厚型無機(jī)防火涂料，因此在火災(zāi)延續(xù)40min內(nèi)，未發(fā)生框架承重鋼構(gòu)件的明顯的受熱變形，保持了良好的耐火性和承重性,而未進(jìn)行耐火保護(hù)的平臺(tái)鋼板和非承重鋼支架，則發(fā)生了受熱扭曲變形。我國現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范用耐火極限作為建筑物構(gòu)件燃燒性能的判定標(biāo)準(zhǔn)，從規(guī)范中可以看出未加保護(hù)的鋼梁、鋼柱、鋼制屋頂承重結(jié)構(gòu)的耐火極限為0.25h，要克服鋼結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用中防火性能方面

8、的不足，必須對(duì)其進(jìn)行必要的防火處理，以達(dá)到規(guī)范對(duì)相應(yīng)的使用性質(zhì)和建筑規(guī)模建筑的耐火等級(jí)要求。美國9.11恐怖事件表明，鋼結(jié)構(gòu)不耐火，是世貿(mào)中心坍塌、人員大量傷亡的重要原因。美國防火規(guī)范對(duì)建筑物的抗火能力(耐火等級(jí))的分級(jí)為3小時(shí)、2小時(shí)兩級(jí)，對(duì)承重墻和支承多層的柱、主梁等承重構(gòu)件規(guī)定其耐火極限為4小時(shí)；日本的防火規(guī)范要求低些，其相應(yīng)構(gòu)件的耐火極限為23小時(shí)；我國的高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范規(guī)定高層民用建筑結(jié)構(gòu)的耐火極限，大致與美、日相似，但略低于美國的規(guī)定，如一級(jí)耐火等級(jí)建筑的防火墻、柱和承重墻、樓梯間墻及梁的耐火極限為3小時(shí)和2小時(shí)，沒有4小時(shí)的規(guī)定。如何提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限是我們面臨的課題。

9、2提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的途徑鋼結(jié)構(gòu)耐火極限低，防火保護(hù)層易被破壞，決定了鋼結(jié)構(gòu)建筑必須重視防火問題，鑒于此，應(yīng)采取相應(yīng)有效的消防安全措施。鋼結(jié)構(gòu)建筑防火保護(hù)方法要提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能，就要阻隔火災(zāi)熱量向鋼材的傳遞，以延緩鋼材溫升的速度，推遲鋼構(gòu)件達(dá)到破壞時(shí)的臨界溫度的時(shí)間。2.1積極應(yīng)用建筑耐火鋼改革鋼結(jié)構(gòu)的材料組份，使其具有特定的成分、表面結(jié)構(gòu)和微觀組織，增強(qiáng)其耐火抗高溫的性能，是提高鋼結(jié)構(gòu)建筑消防安全系數(shù)的治本措施之一。2.2實(shí)施鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)可采取混凝土包覆保護(hù)、外砌粘土磚保護(hù)、防火包覆保護(hù)和防火涂料噴涂保護(hù)等措施，以提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。對(duì)于空心鋼柱也可采取在柱內(nèi)灌注防凍防腐液、循

10、環(huán)冷卻液體或填充水泥的辦法進(jìn)行保護(hù)。在實(shí)施鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施的施工中，必須保護(hù)到位，不留盲區(qū)，保證質(zhì)量。外包層法即采用防火材料將鋼構(gòu)件包裹起來，是提高鋼構(gòu)件耐火性能最常用的方法：(1)在鋼構(gòu)件四周澆抹混凝土或砌筑耐火磚。采用混凝土或耐火磚將鋼構(gòu)件(梁、柱)完全封閉起來。 (2)采用輕質(zhì)防火板材作為防火外包層。采用纖維增強(qiáng)水泥板(如TK板、FC板)、石膏板、硅酸鈣板、蛭石板等非燃材料的防火板將鋼構(gòu)件包裹起來。(3)噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。將鋼結(jié)構(gòu)防火涂料施涂于鋼結(jié)構(gòu)表面，形成耐火隔熱保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料根據(jù)高溫下涂層變化情況分膨脹型和非膨脹型兩大系列。膨脹型防火涂料，又稱超薄型防火涂料，厚度一般為

11、1mm3mm，其基料為有機(jī)樹脂，阻燃體系為聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺。遇火會(huì)自發(fā)膨脹，形成比原涂層厚度大十幾倍到數(shù)十倍的多孔碳質(zhì)層，用于鋼結(jié)構(gòu)防火,耐火極限可達(dá)0.5h1.5h；非膨脹型防火涂料，又稱厚涂型防火涂料，厚度一般在7mm50mm，其主要成份為無機(jī)絕熱材料，遇火不膨脹，自身具有良好的隔熱性，與厚度對(duì)應(yīng)的耐火極限可達(dá)0.5h3h。(4)噴射無機(jī)纖維防火護(hù)層材料，無機(jī)纖維材料具有低密度、高熱容、低導(dǎo)熱的突出特點(diǎn)，并有很好的附著力，在高溫火場(chǎng)中，厚度沒有明顯的變化，護(hù)層不熔化、不脫落，能夠使被保護(hù)構(gòu)件達(dá)到5小時(shí)以上的耐火極限，尤其適用于耐火極限要求比較高的高層鋼機(jī)構(gòu)的防火保護(hù)。近幾年我國

12、鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速，其防火保護(hù)方法絕大多數(shù)采用噴涂防火涂料的方法。此外，國際上少數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑采用水冷卻進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)。這種鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)方法在我國尚未采用過。目前，國內(nèi)外通常是采取對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面噴或涂刷防火材料或包裹耐火材料等辦法保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)不被火焰直接燒烤而提高其抗火能力。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)正反兩方面的經(jīng)驗(yàn)表明，鋼結(jié)構(gòu)防火噴涂的質(zhì)量、時(shí)效、涂層粘結(jié)力、使用中是否有松動(dòng)、開裂或是否受到大的沖擊、震動(dòng)等等會(huì)直接影響到鋼構(gòu)件的防火安全，應(yīng)該引起有關(guān)部門的重視。為此,有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)研究，進(jìn)一步采取可靠的安全措施，保障鋼結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物的消防安全。從目前的情況看，特別要研究耐火性能好、時(shí)效長、粘結(jié)力高

13、的新的鋼結(jié)構(gòu)防火材料；研制耐高溫價(jià)廉物美的金屬、非金屬鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合防火材料及輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐火的混凝土等新材料，進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火能力，應(yīng)是我國建筑界、工程界和消防界的新課題。2.3火災(zāi)模型的建立在鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)乃至建筑防火設(shè)計(jì)中，造成結(jié)構(gòu)浪費(fèi)或結(jié)構(gòu)不安全的主要問題就在于對(duì)規(guī)范的生硬套用上，沒有對(duì)具體建筑進(jìn)行具體分析。不同的建筑因其使用功能不同，誘發(fā)火災(zāi)的因素、火災(zāi)荷載、蔓延途徑、升溫過程和火災(zāi)延續(xù)時(shí)間是不同的。應(yīng)針對(duì)建筑特點(diǎn)和使用功能，認(rèn)真分析火災(zāi)的隨機(jī)性，建立符合具體的火災(zāi)模型。確定易發(fā)生火災(zāi)的部位；計(jì)算火災(zāi)荷載；判定火災(zāi)蔓延途徑；判定高溫?zé)煔鈹U(kuò)散方向；計(jì)算分析溫升曲線(考慮自動(dòng)滅火系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和冷卻作用)；分析局