高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)方法及防火措施

韓寧

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)很多，但卻有一個(gè)致命的缺陷：耐火性能差，結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后在很短的時(shí)間內(nèi)就能把建筑物燒毀。文中針對(duì)鋼材的抗火性能，參考了國內(nèi)外的資料，總結(jié)出了鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)方法及保護(hù)方法，并給出一些建議，為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑鋼結(jié)構(gòu)；抗火設(shè)計(jì)；防火措施

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市可利用的空間也越來越小，從而推動(dòng)了城市高層以及超高層建筑的高速發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑以及超高層建筑中也得以大量采用，在建筑工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

鋼材雖然是非燃燒材料，耐熱但不耐高溫，不耐火，這也是其致命的弱點(diǎn)。隨著溫度的升高，鋼材的強(qiáng)度和剛度下降，當(dāng)溫度超過300℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量開始明顯降低；當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度將下降到常溫下的一半左右，彈性模量將下降到常溫下的60%左右；當(dāng)溫度超過500℃時(shí)，鋼材會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，超過500℃時(shí)鋼材的承載力將急劇降低；當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。因此，當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞。

對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)具有如下意義：1）減輕結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞，避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中局部倒塌造成滅火及人員疏散困難；2）避免結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中整體倒塌造成人員傷亡；3）減少火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用，縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)周期，減少間接經(jīng)濟(jì)損失。

一、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基本方法

鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是：選定保護(hù)材料及所需厚度，從而使結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫升不超過其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性，滿足承載能力的規(guī)定。

基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)是一種簡單、直觀的方法。即規(guī)范要求某一類型建筑物具有一定的耐火時(shí)間，然后對(duì)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件進(jìn)行正常設(shè)計(jì)荷載下的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，測定其抗火時(shí)間。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的抗火時(shí)間不小于規(guī)范規(guī)定的耐火時(shí)間。我國《現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GBJ16—87）中關(guān)于鋼梁和鋼柱的防火措施的要求正是基于此法。該試驗(yàn)方法存在很多缺陷，所以結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法已開始從基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法，轉(zhuǎn)為基于計(jì)算的現(xiàn)代方法，特別是英國、瑞典、美國、日本等從20世紀(jì)70年代就大量開展了考慮上述諸因素的結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)方法的研究。

結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的目的是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在無防火措施時(shí)及防火措施被破壞或失效時(shí)，作為純鋼材構(gòu)件，在火災(zāi)下，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須使結(jié)構(gòu)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件不至于達(dá)到承載力或變形的極限狀態(tài)?，F(xiàn)代高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)主要有四種方法：

1基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法

基于試驗(yàn)的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法簡單直觀、便于應(yīng)用。我國現(xiàn)行的規(guī)范關(guān)于鋼梁鋼柱的防火措施就是基于這種方法。但是該試驗(yàn)方法存在很多缺陷。首先，耐火時(shí)間、耐火等級(jí)不易確定。其次，試驗(yàn)不能準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的實(shí)際受力情況和端部約束，而受力的大小和端部約束對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響很大。最后，構(gòu)件受火在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而這一影響在構(gòu)件試驗(yàn)中也難以準(zhǔn)確反映。因此，是難以分析這些因素對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響。可見早期的抗火設(shè)計(jì)方法有時(shí)失之經(jīng)濟(jì)，有時(shí)又失之安全。

2基于計(jì)算的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法

從20世紀(jì)70年代之后，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)為基于構(gòu)件計(jì)算的現(xiàn)代方法?；谟?jì)算的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法的理論分析主要是用有限元方法，也有一些采用經(jīng)典解析分析方法，基本建立了考慮任意荷載形式和端部約束狀態(tài)影響的鋼構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法。目前這種方法仍被一些國家的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。文獻(xiàn)總結(jié)了在火災(zāi)下構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)的計(jì)算方法：梁的最終極限狀態(tài)分析法；利用柱的曲屈曲線法；梁-柱構(gòu)件的變形法和數(shù)值方法等。屈立軍采用簡單的溫度模型和理想塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為高溫下鋼材的本構(gòu)關(guān)系，得出純彎、拉彎和壓彎構(gòu)件的臨界溫度計(jì)算公式。計(jì)算中只考慮了強(qiáng)度的降低，沒考慮溫度應(yīng)力的影響。

3基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法

基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)，認(rèn)為火災(zāi)下單個(gè)構(gòu)件的破壞，并不一定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞。特別是超靜定鋼結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)結(jié)構(gòu)局部或少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞，將引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，整體結(jié)構(gòu)仍有一定的承載能力?；谡w結(jié)構(gòu)極限承載能力的抗火設(shè)計(jì)是更為合理的，但目前還沒有提出被規(guī)范采納的工程實(shí)用方法。

4考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法

基于火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法以結(jié)構(gòu)的概率可靠度為目標(biāo)，考慮火災(zāi)及空氣升溫的隨機(jī)性。這方面的研究涉及火災(zāi)學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科的研究，但成果還不多。人們認(rèn)為這是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

以上四種方法中基于試驗(yàn)的抗火設(shè)計(jì)方法基本上被淘汰，現(xiàn)在的試驗(yàn)一般用來檢驗(yàn)理論研究的結(jié)果?；谟?jì)算的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)方法研究已有一定的理論成果和工程應(yīng)用實(shí)踐?；谟?jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法是以高溫下鋼結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)為目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，是目前鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的整體發(fā)展趨勢。

二、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火措施

對(duì)于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行基本的抗火設(shè)計(jì)，還必須考慮可行的防火保護(hù)措施，將兩者緊密的結(jié)合起來。鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率，延緩鋼結(jié)構(gòu)表面到達(dá)臨界溫度的時(shí)間。常用防火措施現(xiàn)行基本有以下幾種：

1噴涂法

該方法采用專門設(shè)備將一定厚度防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面上，具有造價(jià)較低、施工快速、復(fù)雜的細(xì)部亦容易覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，視防火層厚度的大小抗火時(shí)間也有所不同，最高可達(dá)4個(gè)小時(shí)。但由于噴涂表面不平整，影響美觀。故適用于比較隱蔽的鋼構(gòu)件。防火涂料一般由硅石添加粘結(jié)劑或礦物纖維制成。

2防火板隔離法

將表面平整的防火材料板采用機(jī)械方法螺栓連接或捆扎環(huán)繞固定在鋼構(gòu)件的四周，一般做成箱狀，將構(gòu)件和周圍火環(huán)境隔離，以達(dá)到降低構(gòu)件的受熱速度，確保構(gòu)件在一定的防火時(shí)效內(nèi)不致達(dá)到其極限溫度。由于防火板可在工廠批量生產(chǎn)，所以具有厚度一致、品質(zhì)保證、干凈無污染等優(yōu)點(diǎn)。其外表平整、美觀，故較為適用于外露構(gòu)件如鋼柱的防火處理，大部分產(chǎn)品抗火時(shí)間可達(dá)到4小時(shí)。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)部施工較困難，裝配速度較慢。

3膨脹漆覆蓋法

將一定厚度的膨脹漆采用噴涂、刷或抹的方式在經(jīng)過一定處理的構(gòu)件表面形成一層保護(hù)膜，最高可滿足2小時(shí)的抗火時(shí)間要求。膨脹漆防火材料覆蓋層遇高溫時(shí)能夠自然澎脹成泡沫狀，形成一層很厚的隔熱毯，其厚度可達(dá)原防火層厚度的數(shù)十倍，以降低鋼構(gòu)件的升溫速率。該方法可作為鋼構(gòu)件的表面裝修，具有施工迅速且易于在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)部施工等優(yōu)點(diǎn)，但大都不適合潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)環(huán)境。視材料防火性能的不同，該方法造價(jià)可高可低。

4水泥磚塊填充法

對(duì)于某些截面的H型鋼柱，在其翼緣和腹板之間的空隙處填入水泥磚以降低構(gòu)件表面的曝火面積，同時(shí)使斷面上產(chǎn)生不同的溫度區(qū)域，從而達(dá)到降低構(gòu)件的受熱速率，提高其抗火性能的目的。單獨(dú)采用該方法可能達(dá)到30分鐘的抗火時(shí)間，如果需要更高的抗火時(shí)效，則須對(duì)暴露的鋼構(gòu)件表面施以其它的防火處理。

5水冷卻法

將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網(wǎng)，其內(nèi)充滿含抗凍劑、防銹劑的水溶液，通過著火時(shí)的溫差作用，使水溶液循環(huán)流動(dòng)，把熱量帶走；也可以設(shè)置自動(dòng)水淋裝置，在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)噴水，在鋼構(gòu)件表面形成一道致密的連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到防火保護(hù)作用.

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法并不是單單用上面的某一種方法，而是采用多法結(jié)合作用?，F(xiàn)在高層或超高層鋼結(jié)構(gòu)往往設(shè)置幾道防火防線，一般以噴淋法為第一道防線，以防火板隔離法和噴涂法為第二、第三道防線等。

總之，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方面的研究雖然已經(jīng)取得一定的成果，但是仍有許多亟待解決的問題。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)我國還沒有具體的、系統(tǒng)的方法及要求。另外，與國外相比，國內(nèi)的研究相對(duì)滯后，特別是在試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析方面。因此，我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這一領(lǐng)域各方面的研究；而對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者來說，也應(yīng)將抗火設(shè)計(jì)融入鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念中，通過多渠道學(xué)習(xí)，了解并加以運(yùn)用。

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