淺談鋼結(jié)構(gòu)建筑防火

王占生

【摘 要】鋼材是一種不會(huì)燃燒的建筑材料，它具有抗震、抗彎等特性。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼材既可以相對(duì)增加建筑物的荷載能力，也可以滿足建筑設(shè)計(jì)美感造型的需要，還避免了混凝土等建筑材料不能彎曲、拉伸的缺陷。但是鋼材作為建筑材料，在防火方面又存在一些難以避免的缺陷，它的機(jī)械性能，如屈服點(diǎn)、抗拉及彈性模量等均會(huì)因溫度的升高而急劇下降。本文簡(jiǎn)述了鋼結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外資料，論述了鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)及防火保護(hù)的基本方法。并提出了今后工作中需大量研究的問題，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性提供了參考 。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)建筑；防火措施

在現(xiàn)代建筑施工中，鋼結(jié)構(gòu)正在逐漸被廣泛利用。對(duì)于鋼網(wǎng)、鋼制門、鋼結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)這幾種應(yīng)用比較多的鋼結(jié)構(gòu)建筑形式來(lái)說(shuō)，相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，有必要制定一個(gè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體建筑框架的防火標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。應(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)下，契合鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火等級(jí)和防火措施，具體問題具體分析，緊緊跟隨現(xiàn)今鋼結(jié)構(gòu)建筑防火規(guī)范的發(fā)展趨勢(shì)。

1.鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)的危害

鋼材成為鋼結(jié)構(gòu)建筑中的最主要建筑材料，雖然屬于一種不燃燒材料，但是鋼材的本身是一種熱良導(dǎo)體，十分容易傳導(dǎo)熱能。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度超過(guò)了260℃以上，鋼材料的極限強(qiáng)度與屈服點(diǎn)就會(huì)顯著的下降，溫度為400℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室外溫下強(qiáng)度的一半，溫度達(dá)到650℃時(shí)，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度，可以近似等于零。這樣就使鋼材喪失了承載能力，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)過(guò)大變形，不能再繼續(xù)工作。

鋼結(jié)構(gòu)建筑最主要的缺點(diǎn)就是耐火性能較差。如果沒有對(duì)它進(jìn)行防火處理，即使鋼材的本身不會(huì)遇火而燃燒，可是遇到了高溫之后它的強(qiáng)度就會(huì)迅速的下降。鋼結(jié)構(gòu)的建筑一旦遇到火災(zāi)就易發(fā)生變形倒塌，這樣很容易造成較大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，造成嚴(yán)重的安全事故。

2.鋼結(jié)構(gòu)耐火性能分析

鋼結(jié)構(gòu)的燃點(diǎn)很高，屬于不然材料。但是作為建筑的主要結(jié)構(gòu)用材，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性很差，在外界高溫條件下極易發(fā)生大的應(yīng)變，一旦應(yīng)變積累到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞?，F(xiàn)就其主要影響因素分析如下：

2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)外界溫度的靈敏反應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)隨著外界溫度的升高而表現(xiàn)出一定的膨脹性。在700℃一下，這個(gè)關(guān)系是一個(gè)很好的線性關(guān)系，隨著溫度的升高，熱膨脹應(yīng)變也會(huì)增大，但是當(dāng)外界的溫度達(dá)到了800-900℃的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)的膨脹應(yīng)變會(huì)發(fā)生一個(gè)回縮，超過(guò)900攝氏度之后，又會(huì)繼續(xù)膨脹。這樣反復(fù)的膨脹應(yīng)變變化來(lái)源于鋼結(jié)構(gòu)的超靜定結(jié)構(gòu)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是一種破壞。

2.2溫度變化下，鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化

鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁、柱、屋架是建筑的骨架，它的安全性直接關(guān)系到整幢建筑的安全，它們大都采用鋼材，鋼材雖然是不燃材料，但其耐火性能很差，隨著溫度的變化，其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生很大的變化，具體表現(xiàn)為隨著溫度的升高，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)急劇下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究顯示，當(dāng)受到外界的影響而使鋼結(jié)構(gòu)的溫度達(dá)到350℃、500℃以及600℃的時(shí)候，它的強(qiáng)度只有原來(lái)的三分之一、二分之一以及三分之二。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的溫度為500℃的時(shí)候，將會(huì)逐漸失去保持建筑穩(wěn)定的性能，而當(dāng)溫度高于900攝氏度的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)建筑很有可能在15米之內(nèi)快速倒塌。

2.3鋼結(jié)構(gòu)極好的導(dǎo)熱性

鋼結(jié)構(gòu)是一種極好的導(dǎo)熱材料，熱傳導(dǎo)在鋼結(jié)構(gòu)中傳播的速度極快，這就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)都處于受熱條件下，一旦溫度超過(guò)了極限，就會(huì)發(fā)生破壞。

2.4鋼結(jié)構(gòu)的荷載和幾何約束條件

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑的骨架，起著承受荷載的作用，但是一旦外界溫度發(fā)生急速變化，機(jī)會(huì)會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的承載能力急速下降，一旦超過(guò)了受火承載極限，就會(huì)發(fā)生破壞。所以在防火設(shè)計(jì)中要充分考慮到外部荷載和鋼結(jié)構(gòu)幾何約束條件的組合關(guān)系，使得鋼結(jié)構(gòu)可以充分滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5影響鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的幾個(gè)主要因素

火災(zāi)越大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響越大；鋼結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部滅火措施的設(shè)計(jì)是否合理，也會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能；對(duì)于重要的建筑物，要提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性能設(shè)計(jì)等級(jí)；對(duì)于那些對(duì)整個(gè)建筑的荷載承受極為重要的部位，應(yīng)該提高材料耐火的等級(jí)，加大防火力度。

3.鋼結(jié)構(gòu)建筑主要的防火措施

為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的材料屬性，使得所用的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限在施工設(shè)計(jì)的控制范圍之內(nèi)，必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防火處理。目前常用的防火措施可以概括為水冷卻法、包敷法、噴涂法。

3.1水冷卻法

包括注水和淋水兩種方法。為了控制鋼結(jié)構(gòu)的溫度，水冷卻注水法的主要實(shí)現(xiàn)方法是在內(nèi)部中空的鋼柱內(nèi)進(jìn)行注水，并與上部的冷卻水水箱連同，形成一個(gè)可以內(nèi)部循環(huán)的冷卻封閉系統(tǒng)。當(dāng)外界發(fā)生火災(zāi)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)溫度升高的時(shí)候，鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的冷卻水會(huì)進(jìn)行一個(gè)能量交換，兩者之間存在一個(gè)溫度的傳遞。然后鋼柱內(nèi)的冷卻水由于溫度的升高，隨即和上部冷卻水水箱中的水進(jìn)行熱量交換，這樣就形成了一個(gè)冷卻水的循環(huán)，隨著循環(huán)的進(jìn)行，不斷帶走鋼結(jié)構(gòu)上面的溫度。而水淋冷卻法是在鋼結(jié)構(gòu)上部布置自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，啟動(dòng)噴淋在鋼結(jié)構(gòu)表面形成一層連續(xù)的水膜，達(dá)到保護(hù)作用。

3.2包敷法

采用磚、混凝土、硅鈣板等材料將鋼結(jié)構(gòu)包裹，從而形成保護(hù)層，提高構(gòu)件耐火極限。主要包括單面屏蔽法、外襯砌法。單面屏障法是一種對(duì)熱源的處理方法，主要的視線方法是在鋼結(jié)構(gòu)和火源之間設(shè)置一個(gè)屏障，使得火災(zāi)發(fā)生時(shí)，熱量無(wú)法快速傳遞給鋼結(jié)構(gòu)。

外襯砌的主要目的也是隔斷火源，主要的襯砌材料是混凝土、耐火磚以及耐火輕質(zhì)材料。實(shí)現(xiàn)方法和單面屏障法類似，只是外襯砌方法是把混凝土或者耐火磚完全包裹鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，完全防止了鋼結(jié)構(gòu)和火源的直接接觸。

3.3噴涂法

為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能，可以在其表面噴涂一層防火材料，形成一層保護(hù)膜，提高發(fā)生火災(zāi)之后鋼結(jié)構(gòu)的耐火性， 它具有施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且不用考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀，經(jīng)濟(jì)性和適用性都不錯(cuò)。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)不同建筑對(duì)構(gòu)件耐火極限的要求，通過(guò)科學(xué)比較，選出最恰當(dāng)?shù)姆阑鸨Ｗo(hù)方法，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全要求。往往都是幾種方法一起使用，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能能夠滿足前期設(shè)計(jì)的要求，避免在火災(zāi)出現(xiàn)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)耐火性能不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象出現(xiàn)。還要時(shí)常檢查防護(hù)層是否穩(wěn)定，對(duì)進(jìn)行了防火措施的鋼構(gòu)件時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證一旦出現(xiàn)火災(zāi)，能夠立刻發(fā)揮作用。

4.結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)正由土木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)向鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，高層建筑物越來(lái)越多。鋼結(jié)構(gòu)正在逐漸被應(yīng)用到建筑施工中，在具體施工中，應(yīng)該嚴(yán)格查明建筑的重要的等級(jí)，選取合適的防火材料，并且要制定合理正確并且可以實(shí)行的防火標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，防患于未然，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火力度，為鋼結(jié)構(gòu)建筑的順利施工，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。