钢结构防火问题探析

　　【摘要】:文章探讨了火灾情况下钢材的热物理性能、力学性能,介绍了常见的钢结构防火保护方法,并指出目前在钢结构防火设计方面存在的不足。

　　【关键词】:钢结构,防火保护,防火措施

　　1、前言

　　钢结构由于其具有强度高、自重轻、施工速度快等一系列的优点,被广泛地运用,特别是大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构,钢结构更是首选结构形式。然而,与钢筋混凝土结构及砌体结构相比,钢结构却有抗火性能差的缺点。随着钢结构建筑的广泛应用,钢结构的防火问题越来越受到重视。钢结构防火具有极其重要的意义。

　　钢结构通常在450～650℃温度中就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用，一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。这一时间的长短还与构件吸热的速度有关。要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落，其措施是多种多样的，关键是要根据不同情况采取不同方法，如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。

　　采取防火保护措施的钢结构,可以延长火灾情况下钢结构达到临界温度的时间,减轻钢结构在火灾中的破坏,避免钢结构在火灾中局部或者整体倒塌造成灭火和人员疏散的困难以及人员伤亡;可以减少火灾后钢结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。钢结构的抗火设计就是设计结构防火保护措施,使结构在承受确定外载的条件下,满足结构的耐火时间要求。

　　2、高温条件下钢材的性能

　　钢材是不燃材料,钢结构属非燃烧体,其耐热性能高于钢筋混凝土结构,但耐火性能差,无防护措施的钢结构耐火极限15分钟左右。火灾情况下,随着温度的升高,钢材的性能有很大的变化。

　　2.1钢材热物理性能

　　火灾情况下,结构、构件受热膨胀,当膨胀受到约束时,就会产生对结构不利的附加内力,影响该内力的主要参数为热膨胀系数。同时由于钢材具有良好的导热系数,火灾时热量迅速传递和蔓延,极易导致钢结构快速地被破坏。随温度的升高而发生变化,但变化幅度不大,随温度的升高而降低。因此,未加保护的钢构件一旦遇火,其截面温度迅速升高,非常不利于结构安全工作。

　　2.2钢材力学性能

　　火灾情况下,随着温度的升高,钢材的屈服点、抗压强度、弹性模量等力学性能都迅速下降。普通建筑用钢(Q235,Q345钢等)在全负荷的情况下,失去稳定性的临界温度为540℃左右。一般在300-400℃时,钢材强度开始迅速下降;到500℃左右,其强度下降到40-50%。但是一般火灾现场的温度都会达到800-1000℃,在这样的高温下裸露的钢结构构件强度会迅速降低,很快会出现塑性变形,产生局部破坏,最终造成钢结构建筑物整体倒塌。

　　3、钢结构防火保护措施

　　钢结构的防火保护从理论上大致可分为截流法和疏导法两大类,具体方法有钢结构防火涂料保护、防火板保护、混凝土防火保护、柔性卷材防火保护、结构内通水冷却等。

　　截流法的原理是依靠附着在钢结构表面的防火保护材料截断或阻滞火灾产生的热流量向构件传输,从而使得构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。防火保护材料应具有良好的绝热性;在装修、正常使用和火灾升温过程中,不开裂、不脱落,能牢固的附着在钢构件上;应具有一定的结构强度和抗冲击能力,并且粘结强度大或有可靠的固定方式;不腐蚀钢材,且碱性含量低;不含危害人体健康的石棉等物质。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法、水喷淋法等。

　　喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面,形成保护层。钢结构防火涂料施工简便、质量轻、造价低,不受构件的几何形状和部位的限制。包封法也是最基本的钢结构防火保护方法,该方法是用耐火材料把构件包裹起来。包封的材料有防火板、陶粒混凝土、砖、钢丝网抹灰粉刷等。

　　屏蔽法是把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内,主要适用于屋盖系统的保护。在钢构件的迎火面设置阻火屏障,将构件与火焰隔开,即使建筑内部发生火灾,火焰也烧不到钢构件。在特殊部位设置防火屏障是一种较为经济的钢构件防火保护方法。

　　水喷淋法是水冷却法的一种。该方法是在钢结构顶部设置喷淋供水管网系统,火灾时自动或手动喷水,在构件表面形成一层致密、连续流动水膜,从而起到保护作用。

　　疏导法允许热流量传到钢构件上,然后设法把热量导走或消耗掉,从而使构件温度在规定的时间内不会达到临界温度,以保护作用。疏导法目前仅有水冷却保护法。该方法是在空心封闭的构件充满水连成管网,火灾时构件把从火场中吸收的热量传水,依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量带走,将构件的度控制在100℃左右。冷却水可由高位水箱或供水管网或消管网来补充,蒸汽由专设的排气口排出。从理论上讲,此方法是钢构件保护最有效的方法。但水能增加建筑物自重,同时为了防止钢结构生锈,需在水中掺入防锈外加剂,冬天如需防冻,还要加入防冻剂。这种方法于对结构设计有专门的要求,目前实际很少采用。

　　选择钢结构的防火措施时,应考虑下列因素:钢结构构处部位;需防护的构件性质;钢结构采取防护措施后结构增加的量及占用的空间;防护材料的可靠性;施工难易程度和经济性。其中以钢结构防火涂料保护方法应用范围最为广阔,效率最高。

　　4、钢结构防火设计

　　我国钢结构建筑的应用范围及建造规模越来越大。通过一些已完建筑可以发现,我国钢结构设计、施工水平正在赶超世界先进水平，但同时也应清醒地认识在钢结构防火设计方面所存在的不足。

　　钢结构在建筑设计与结构设计界限方面不如混凝土结构砖石结构清晰。在钢结构设计过程中,要求设计师具有丰富的设计经验、扎实的理论功底。但由于一些设计工作者混淆建筑防火与结构抗火的概念,在一些已完建筑中可能会留下火灾隐患。

　　目前我国急需建立安全可靠、科学实用的钢结构防火设计规程。钢结构建筑防火保护已经普遍被人们所重视,但是并没有统一的设计规范或标准。

　　钢结构的防火保护方法形式很多,但是在保护方法和保护材料的选择上比较困难。防火涂料是钢结构防火保护的最佳选材,但是钢结构防火涂料存在价位高、装饰性差、耐火能力不强等缺点，而且随着防护时间的增长,会使其综合性能下降,降低其防火能力。

　　5、小结

　　目前，高层钢结构建筑日趋增多，尤其是一些超高层建筑，采用钢结构材料更为广泛。高层建筑一旦发生火灾事故，火不是在短时间内就能扑灭的，这就要求我们在建筑设计时，要严格使用建筑用钢材，同时加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限，并在建筑内部制订必要的应急方案，以减少人员伤亡和财产损失。

　　参考文献:

　　【1】李颖清,钢结构防火的意义及其防火保护措施,河南科学2002(4):12-14

　　【2】时虎,钢结构防火涂料研究及其应用,现代涂料与涂装2003(4):30-32

　　【3】黄滢;万琳,钢结构防火问题探析,江西科技师范学学报,2003(5):15-17

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