建筑钢结构耐火性和稳定性

 　　钢结构是目前主要的建筑结构之一，钢结构的耐火性对结构稳定性有着重要意义，本文简要介绍当今正蓬勃发展的钢结构的概况，针对钢结构耐火性与稳定性，着重对钢结构耐火保护方法与可靠性进行探讨。

　　《建筑结构》主管：中华人民共和国住房和城乡建设部，主办： 亚太建设科技信息研究院;中国建筑设计研究院;中国土木工程学会，周期： 半月，出版地：北京市，语种： 中文;，开本： 16开，国际刊号：ISSN 1002-848X，国内刊号：CN 11-2833/TU，邮发代号 2-755读者对象：设计院、高校及科研单位、施工管理、房地产等单位的广大结构工程师。

　　一、钢结构概述

　　1、钢结构的特点。在施工时间方面：用于施工的钢结构构件可以是工厂化生产、工业化程度高，现场安装快捷，大大缩短施工的时间;在施工空间方面：钢材抗压、抗侧弯强度大，一般钢材的性能均为混凝土的1.5 倍，特别是其抗拉、弯性能远优于混凝土结构。因此在等同强度的条件下可以缩小截面从而增大了有效的空间;在利用率方面：钢结构建筑的施工材料可以实现再生利用，这样就减少了大量的建筑垃圾，符合环保建筑施工和可持续发展的要求。

　　此外钢结构抗震性能优良，又有柔性结构、自重轻，能有效地降低地震及灾害的影响程度，可大大提高住宅的安全性。

　　2、钢结构的不足。钢结构因其优势而得到广泛应用，近年来产生的钢结构住宅也促进了住宅产业化的发展进程。但钢材也存在其固有不足。比如钢材的耐腐蚀性和耐火性较差，其防护费用高过混凝土材料。钢材虽有一定的耐热性，但在温度达150℃以上时，钢结构需要加隔热层加以保护。钢材的强度高，所做构件多数壁薄且截面较小，受压时为了在强度与稳定之间取得最优，往往满足了稳定的要求，而使得强度不能充分发挥等。

　　二、钢结构的耐火保护方法

　　由于钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效倒塌，耐火极限仅15分钟，若采取措施，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，钢结构在火灾中就能保持稳定性，对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为两种：截流法和疏导法。

　　1、截流法。原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其作法是构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

　　2、喷涂法。用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类，薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7mm，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0.5～1.5小时，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0.5～3.0小时，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。

　　3、包封法。在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：

　　(1)用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，进一步提高其耐火的性能。

　　(2)用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上术材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。

　　(3)用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。

　　(4)用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述预制板包覆构件，板间连接可采用钉合及粘合。这种构造方式施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)与防火(预制板)的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。

　　3、屏蔽法。屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。

　　4、疏导法。与截流法不同，疏导法允许热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。

　　疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。蒸气由排气口排出。当柱高度过大时，可分为几个循环系统，以防止柱底水压过大，为防止锈蚀或水的冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水的蒸发耗热，后者既能蒸发散热，还能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低的柱。

　　三、钢结构稳定的可靠性研究

　　1、结构分析中的不确定性因素来源。影响刚结构体系稳定性的不确定性的基本变量许多是随机的，一般分为三类：

　　(1)物理、几何不确定性：如材料(弹性模量，屈服应力，泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。

　　(2)统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。

　　(3)模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。

　　2、结构的可靠性研究。国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。

　　任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能-安全性、使用性、耐久性由 于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加入工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可 靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系，这种关系(又称功能函数)记作式中X1，X2，…，Xn 是随机变量。

　　把极限状态(或失效面)定义为Z 0，则描述可靠度的参数可靠性指标定义为坐标原点到失效面的最小距离 目前用于可靠性指标 计算一般有两种方法：一次可靠度方法(FORM)和二次可靠度方法(SORM)。

　　3、目前用于结构可靠度分析的数值方法评述

　　对于复杂结构， 功能函数g(x)通常不能明确表达为输入随机变量的函数，结构的响应通常通过数值方法(如有限元)来计算。这些数值方法为：蒙特卡罗模拟法(包括高效的取样法和方差缩减技术);响应面法基于敏感性的分析方法。

　　4、钢结构体系稳定性的可靠性研究方法

　　随机有限元法为刚结构体系稳定性的可靠性研究提供了强有力的分析手段，由于随机有限元能够考虑实际结构存在各种各样的随机性因素的影响，所以可以预计随机有限元法在这一研究领域将会有良好的应用前景。

　　四、结束语

　　近年来，我国正在大力发展钢结构建筑，我们应及时组织考察总结已建成的钢结构工程的经验，满足建筑在适用性能、环境性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求，形成完善的建筑体系。但愿我国的钢结构建筑能够经得住历史的考验。

《建筑钢结构耐火性和稳定性》

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