淺談鋼結(jié)構(gòu)防火設計

宋俊國

近幾年鋼結(jié)構(gòu)建筑日趨增多，尤其是一些高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)材料更為廣泛。鋼結(jié)構(gòu)作為一種蓬勃發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)點有目共睹，但缺點不容忽視，除耐腐蝕性差外，耐火性差又是它的一大缺點。

鋼材雖然屬于非燃燒材料，但它的力學性能對溫度變化很敏感。當溫度升高時，鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量的總趨勢是降低的，但在200℃以下時變化不大。當溫度在250℃左右時，鋼材的抗拉強度反而有較大提高，而塑性和韌性下降。當溫度超過300℃時，鋼材的屈服強度、抗拉強度、彈性模量開始顯著下降，鋼材產(chǎn)生徐變;當溫度超過400℃時，強度和彈性模量都急劇降低;達到600℃時，屈服強度、抗拉強度和彈性模量均接近于零，其承載力幾乎完全喪失。這就是所謂的鋼材耐熱不耐火。因此一旦發(fā)生火災，鋼結(jié)構(gòu)很容易遭受破壞而倒塌。

下面的幾個例子把這點體現(xiàn)的淋漓盡致。

1)1996年江蘇省昆山市的一座輕鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災，4 300 m2的廠房燒塌。2)1998年北京某家具城發(fā)生火災，造成該建筑(鋼結(jié)構(gòu))整體倒塌。3)2003年4月5日山東省即墨市龍泉鎮(zhèn)青島正大有限公司鋼結(jié)構(gòu)食品加工車間發(fā)生火災，建筑面積6 256 m2。

上面的例子告訴我們在建筑設計時，必須加大對建筑材料的防火保護，以增強其耐火極限，并在建筑內(nèi)部制定必要的應急方案，以減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此鋼結(jié)構(gòu)的防火設計從三個方面考慮：合理的構(gòu)件的截面系數(shù)、防火措施和建筑內(nèi)部必要的應急方案。

1 構(gòu)件的截面系數(shù)

鋼構(gòu)件受火時，達到某一指定溫度所需要的時間與構(gòu)件截面形狀有關。當構(gòu)件直接受火表面面積越大，熱量交換越多，所需時間越短，構(gòu)件截面面積越大，達到指定溫度吸收的熱量越多，則所經(jīng)歷的時間越長。所以可以用構(gòu)件的截面系數(shù)來表示構(gòu)件的吸熱能力。截面系數(shù)越大，構(gòu)件越不耐火。但即使同一構(gòu)件，所用保護材料構(gòu)造方式不同即有時采用周邊包封，有時周邊噴涂，有時構(gòu)件三面受火(如梁、一邊靠墻柱)或構(gòu)件四面受火，其截面系數(shù)也是不同的。所以確定合適的截面系數(shù)是很重要的。CECS 200∶2006建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術規(guī)范在附錄中相應的規(guī)定。

2 鋼結(jié)構(gòu)的防火措施

2.1 耐火極限的要求

所謂鋼構(gòu)件的耐火極限是鋼構(gòu)件受標準升溫火災條件下，失去穩(wěn)定性、完整性或絕熱性所用的時間，一般以小時(h)計。

《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定民用建筑的耐火等級分為一、二、三、四級。除此規(guī)范另有規(guī)定者外，不同耐火等級建筑物相應構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限不應低于規(guī)范中表5.1.1的規(guī)定。

2.2 防火保護措施的種類

鋼結(jié)構(gòu)進行防火處理目的是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定的極限范圍，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災中迅速升溫發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。一般處理方法為采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量傳遞的速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)升溫，強度變?nèi)醯臅r間等。

目前，世界各國對鋼結(jié)構(gòu)采用多種方法進行保護。這些方法從原理上來說可分為兩種：截流法和疏導法。

2.2.1 截流法

截流法是在構(gòu)件表面設置一層保護材料，火災產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護材料，再由保護材料傳給構(gòu)件。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

1)噴涂法：采用噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或噴射無機纖維保護構(gòu)件。這種方法具有防火隔熱性能好，施工不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形體限制等特點。

防火機理是：a.防火涂料本身具有難燃或不燃性，使被保護的鋼材不直接與空氣接觸，從而延遲鋼材著火燃燒。b.防火涂料遇火分解出不燃的惰性氣體，沖淡被保護鋼材受熱分解的易燃氣體和空氣中的氧氣，抑制燃燒。c.燃燒被認為是游離基引起的連鎖反應，而含氯、磷的防火涂料受熱分解出一些活性自由基因可與有機游離基化合，中斷連鎖反應，降低燃燒速度。d.膨脹型防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層泡沫隔熱層，封閉被保護的鋼材，阻止鋼材燃燒。

防火涂料的選用原則：a.鋼構(gòu)件耐火極限設計要求不大于1.5 h時，宜采用超薄型或薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。b.鋼構(gòu)件耐火極限設計要求為1.5 h～2.5 h時，宜采用薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。c.鋼構(gòu)件耐火極限設計要求為3.0 h或3.0 h以上時，宜采用厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。涂料厚度根據(jù)標準耐火試驗數(shù)據(jù)選定相應的涂料厚度。

2)包封法：是用耐火材料把構(gòu)件包裹起來。包封材料有防火板材、混凝土、鋼絲網(wǎng)抹耐火砂漿等。當采用石膏板、蛭石板、硅酸鈣板、珍珠巖板等硬質(zhì)防火板材包封時，板材可用膠粘劑或鋼件固定。當包封層數(shù)最少兩層時，各層板應分別固定，板縫應相互錯開，其距離不宜小于400 mm。當用巖棉、礦棉等軟質(zhì)板材包封時，應用薄金屬板或其他不燃性板材包裹。

3)屏蔽法：將鋼結(jié)構(gòu)設置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里。

2.2.2 疏導法

疏導法是在空心封閉截面中(主要為柱)充滿水，火災時鋼構(gòu)件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導走，構(gòu)件溫度可維持在100℃左右。水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱連通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱;后者既能蒸發(fā)耗熱，又能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導向非火災區(qū)溫度較低的柱。

3 強化報警系統(tǒng)和滅火裝置

3.1 報警系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的探測報警設備中，感溫探測器只能探測8 m及以下高度的空間，感煙探測器為12 m及以下，火焰探測器及紅外光束感煙探測器為20 m及以下。鑒于大空間建筑的構(gòu)造特性，功能區(qū)等固定房間可采用普通感溫(煙)探測器，而展覽區(qū)等大空間在實際中多采用雙波段火焰探測器、線型光束圖像感煙探測器等配合自動水炮系統(tǒng)等先進技術。

3.2 滅火裝置

自動報警滅火系統(tǒng)是一種重要的滅火、報警措施，是目前世界上采用最廣泛的一種固定滅火報警設施。其特征是：通過加壓設備將水送入管網(wǎng)至帶有電磁控制的噴頭處，噴頭在收到開啟控制信號的同時自動開啟灑水滅火，并發(fā)出報警，更好的預防火災的蔓延。考慮到高層建筑以自防自救為主，室內(nèi)消防用水量比室外的要大些，室內(nèi)消火栓用水量為40 L/s，是規(guī)范規(guī)定的建筑物消防用水的上限值。

自動報警滅火系統(tǒng)中的自動噴水滅火裝置，根據(jù)被保護建筑物的性質(zhì)和火災發(fā)生、發(fā)展特性的不同，可以有許多不同的系統(tǒng)形式。通常根據(jù)系統(tǒng)中所使用的噴頭形式不同，分為閉式自動噴水滅火、開式自動噴水滅火。具體采用哪種滅火系統(tǒng)應符合《建筑設計防火規(guī)范》的規(guī)定。

4 結(jié)語

目前的研究水平主要停留在構(gòu)件的耐火性能階段，缺乏整體結(jié)構(gòu)防火概念。另外，防火措施雖然較多，但業(yè)主存在僥幸心理，往往為節(jié)省造價、防火做法達不到設計所需要的耐火等級。因此，我們一方面應加大力度開展鋼結(jié)構(gòu)防火領域的研究，另一方面提高人們對防火重要性的認識，雙管齊下才能避免一些不應該發(fā)生的事故，建設一個美好和諧的社會。

［1］ GB 50016-2006，建筑設計防火規(guī)范［S］.

［2］ 06SG501，民用建筑鋼結(jié)構(gòu)防火構(gòu)造［S］.

［3］ CECS 24∶90，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應用技術規(guī)程［S］.

［4］ 李 兵，陳道政.鋼框架結(jié)構(gòu)抗火反應分析與研究［J］.山西建筑，2009，35(1)：78-79.