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淺析鋼結構的防火

作者：鋼結構網    
時間：2009-12-23 10:01:51 [收藏]


    ［摘要］ 隨著大型鋼結構建筑的日益增多，鋼結構的防火保護越來越受到人們的關注。本文介紹了鋼結構的特點、防火性能以及防火處理方法。
    ［關鍵詞］ 鋼結構 防火方法
    建筑自人類產生以來都是人們生活的重要組成部分，但在很長時間里運用的都是石材，木材等。隨著科技的發展新型材料的運用越來越廣泛，其中鋼材是其中普遍采用的一種。而以鋼結構為主體的建筑是現代空間結構發展的主流，近年來，鋼結構更加廣泛應用于公共建筑中，我國目前不僅能生產各種類型的建筑鋼材，同時鋼材生產的新技術、新工藝、新產品日益也增多，如彩鋼壓型板、彩鋼復合板、彩鋼扣板、拱形廠房及彩鋼制品等的生產，使建筑結構充滿現代化時代氣息，實際證明鋼結構建筑在我國更具有廣闊的發展前景。2001年9月11日，位于美國紐約市中心的世貿大廈遭到恐怖分子的襲擊，在先后遭受兩架民航客機的撞擊后，僅過了20多分鐘，這幢摩天大樓便轟然倒塌，造成了數千人的重大傷亡。世貿大廈是美國經濟繁榮的象征，如此龐大的建筑為何這般不堪一擊，建筑專家們眾說紛紜，但有一條是肯定的，那就是和這幢建筑的全鋼結構構造有很大的關系。首先是鋼構件遭到劇烈撞擊，造成防火保護層松脫，緊接著大量泄漏的航空燃料在建筑內部猛烈燃燒造成樓內溫度急劇上升，在高溫作用下，無保護層的鋼構件很快失去強度和承載能力，最終上演世貿大廈在瞬間化為烏有的人間慘劇。 一方面鋼結構具有強度高、受荷能力強、自重輕、占空體積小、構件制造與安裝方便等優點，但是鋼材就其自身耐火性能來講，遠低于磚石和鋼混結構；另一方面，越來越多的大型建筑如展覽館、候機樓、大型商場和高級賓館及工業廠房等不斷增多，采用鋼結構的建筑也隨之不斷增加。鋼結構的防火問題不容回避。
    一、現代鋼結構的建筑特點
    （一）預工程化程度高，建設成本降低，工期縮短
    鋼結構建筑模數協調統一標準實現了建筑工業化大規模生產，提高了建筑預工程化，使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性。同時鋼結構建筑的預工程化使材料加工和安裝一體化，大大降低了建設成本；并且加快了施工速度，使工期能夠縮短40％以上，從而加快了房地產開發商的資金周轉速度，使建筑能更早投入使用。
    （二）建筑與結構的設計與功能一體化,使建筑更富有功能化
    在鋼結構建筑中，結構成為形象構成的重要因素，結構的形體，構件，節點從很大程度上導致并制約著建筑的形象。建筑與結構的設計與功能只有做到一體化，才能使建筑更富有功能化以便隨后的各個設計環節進行下去，創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。
    （三）鋼結構建筑能夠滿足超高度和超跨度的要求
    鋼材組織均勻，接近于各向同性勻質體，強度高，彈性模量亦高。其密度與強度的比值遠小于磚石，混凝土，木材，在同樣受力情況下鋼結構自重小，從而可以做成跨度較大和高度較高的結構以及靈活的結構形體。現在人類已具有建造跨度超過1000米的超大穹頂與高度超過1000米最高至4000米的超高層建筑的能力。并且鋼索與膜結構相結合形成索膜結構體系更能滿足建筑對跨度的要求，使這類型建筑成為標志性建筑，
    （四）原材料可以循環使用，有助于環保和可持續發展
    發展鋼結構對于資源，能源都非常短缺的我國意義尤為重大，因為中國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑大國。鋼材是一種高強度高效能的材料，具有很高的再循環價值，邊角料也有價值，不需要制模施工。目前國際上引人矚目的新型住宅產品已引入我國，其環保節能的特點主要體現在兩個方面（1）該類型住宅采用全封閉式保溫隔熱防潮系統，溫度變化小，熱損失低。不論冬夏，都具有舒適當居住環境。室外0攝氏度時，室內仍可以保持17攝氏度以上；在室外溫度達到30攝氏度的情況下，室內溫度僅為21攝氏度左右。（2）與磚混結構住宅相比，可節能60％以上，冬夏季空調設備可節約耗電30％以上，結構的廢舊利用為100％，與磚混結構比較，同樣樓層凈高條件下，鋼結構維護墻體面積小，節約空調所需能源，減小維護費用。
    二、鋼結構建筑的火災危險性
    （一）耐火性能差
    鋼材本身不燃燒，卻不耐高溫，其機械性能如屈服點、彈性模量、抗壓強度、荷載能力等均會應溫度的升高而急劇下降，當鋼構件溫度達到350、500、600攝氏度時，強度分別下降1/3、1/2、2/3。據理論計算，全負荷鋼構失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為540攝氏度。而且鋼構件由單一材料組成，導熱系數大（是混凝土的40倍），在高溫作用下，熱量會迅速傳導至內部，溫升快，科學實驗和火災實例均表明，裸露鋼構的耐火時間僅15分鐘，不如普通木柱的耐火時間。
    （二）跨度大、空間大，火災蔓延迅速
    跨度大、空間大是鋼結構建筑的顯著特點，而且大部分鋼結構建筑無明顯有效的防火分隔，門窗多，內部空氣流通好，可燃物料多，一旦發生火災，熱輻射強，煙霧濃，燃燒猛烈，在強大熱氣流的作用下，火勢迅速向垂直、水平方向蔓延，形成大面積火災。
    （三）整體連接性強，易變形倒塌。
    鋼結構作為承重構件，在火災狀態下，遇高溫受熱膨脹，強度降低，再遇冷水急劇收縮，脆性增強，極易失去支撐作用。由于鋼結構整體連接性強，只要局部遭到破壞，就能形成建筑物的整體坍塌和毀滅。
    三、鋼結構的防火保護方式
    鋼結構的防火保護通常有以下幾種方式：
    1、鋼結構防火涂料
    鋼結構防火涂料是施涂于建筑物及構筑物的鋼結構表面，能形成耐火隔熱保護層，以提高鋼結構耐火極限的涂料，分為厚型、薄型、超薄型等幾種。厚型涂料呈顆粒狀，涂層厚度通常在8毫米以上，施工方法為噴涂，高溫時依靠涂料本身的厚度及較低的導熱率起到對鋼構件的隔熱作用。薄型和超薄型涂料涂層較薄，有一定裝飾效果，施工方法可噴可刷，高溫時涂層膨脹增厚保護鋼構件。具有重量輕、施工較簡便，適用于隱蔽結構和裸露的鋼梁、斜撐等鋼構件。
    2、澆筑混凝土砌筑磚塊法
    用現澆混凝土作外包層時，可以在鋼結構上現澆成型，也可采用噴涂法（噴射工藝）。現澆的實體混凝土外包層通常可用鋼絲網或鋼筋來加強，以限制收縮裂縫并保證外殼的強度。也可以在施工現場將鋼結構表面涂沫砂漿以形成保護層。砂漿可以是石灰、水泥或石膏砂漿，也可摻入珍珠巖或石棉。 外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥和輕混凝土做成的預制板，采用膠粘劑和釘子或螺栓固定在鋼結構上。這種方法保護層強度高、耐沖擊，占用空間較大，適用于容易碰撞、無保護面板的鋼柱防火保護。
    3、充水法
    在空心鋼構件內充水是抵御火災最有效的方法，能使鋼結構在火災時保持較低的溫度。水在結構構件內循環，受熱的水可經冷卻再循環，或由水管引入涼水來取代加熱過的水。這種方法在國外被廣泛地使用在鋼柱的防護中。這種方法造價低，對空心鋼構件的防滲漏、防腐蝕要求高，只適用于空心鋼構件的保護。
    4、輕質防火厚板包覆法
    采用無機防火板材對大型鋼構件進行箱式包裹，如石膏板、蛭石板、無石棉硅酸鈣隔熱 板等，包板的厚度根據耐火極限的要求而定。這種方法具有施工方便、裝修面平整光滑、成本低、損耗小、無環境污染、施工周期短、耐老化等優點，推廣前景好，是鋼結構防火保護 新的發展方向。
    5、復合保護法
    緊貼鋼板用防火涂料或柔性氈狀隔熱材料，外用防火薄板作罩面板。這種方法適用于表面有裝飾要求，一般用于需要粘貼柔性氈狀隔熱材料或涂敷厚質防火涂料的鋼柱。
    參考文獻
    ［1］ 蔣永琨主編，《中國消防工程手冊》 建筑工業出版社
    ［2］《鋼結構工程施工與驗收規范》 中華人民共和國建設部
    ［3］《建筑鋼結構防火設計規程》 上海市建設和管理委員會
    中國消防在線
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