钢结构建筑防火问题研究探讨

房绍方,次旺格桑

(1.山东公安消防总队菏泽支队,山东菏泽 274000;2.西藏公安消防总队拉萨支队,西藏拉萨 850000)

钢结构建筑防火问题研究探讨

房绍方1,次旺格桑2

(1.山东公安消防总队菏泽支队,山东菏泽 274000;2.西藏公安消防总队拉萨支队,西藏拉萨 850000)

钢材是本世纪最为创新的建筑材料,在高层建筑钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构等当今现代建筑工程中有广泛应用及发展前景。钢材虽为非燃烧材料,但钢不耐火,温度为400℃时,钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半,温度达到 600℃时,钢材基本丧失全部强度和刚度。本文介绍了钢结构建筑的火灾危险性、钢结构的缺点及破坏机理等,指出钢结构防火保护的重要性及目前现有的几种钢结构防火保护方法。

钢结构; 防火; 被动防火法; 主动防火法

近年来,随着市场经济的发展和建筑市场的日益频繁,钢结构体与钢筋混凝土结构相比,在“高、大、轻”三个方面发展具有独特优势,使得钢铁成了最佳建筑用结构材料。因为具有强度高、自重轻、性能稳定、韧性好、安装容易、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少、适合于批量生产等综合优势,钢结构被广泛应用于大跨度工业厂房、仓库、桥梁、体育场馆、超高度钢与混凝土组合结构的现代化的办公楼、高耸的电视塔、还有结构复杂的建筑造型之中。其应用前景将会更加广泛。但耐火性能差是钢结构的一个致命弱点。温度为 400℃时,钢材的强度将降至室温下强度的二分之一,温度达到 600℃时,钢材基本丧失了强度和刚度。所以对钢结构耐火性能、防火设计方法等问题进行研究分析具有十分重要的理论和社会意义。

1 钢结构建筑火灾举例及其危害

2009年 2月 9日晚,北京市朝阳区东三环中央电视台新址园区在建的附属文化中心大楼工地发生火灾,熊熊大火在三个半小时之后才得到有效控制,造成了几十亿元的经济损失。1998年 5月 5日,北京玉泉营环岛家具城大火,结构防火未达标,造成 13 000m2钢结构轻体建筑全部倒塌,造成直接经济损失达到人民币 2087万。1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾,4 320平米厂房烧塌。国外也有许多这方面的实例。在 2001年的“9.11”恐怖袭击事件中,由于飞机撞击引起大火,致使纽约世界贸易中心两栋 110层、高 411m、用钢7.5×104t的钢结构大楼倒塌,造成 2 308人死亡。1984年美国费哈里森大楼火灾,钢桁架结构坍塌,且不同程度地殃及到附近 17幢建筑。1970年美国高达 50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾,楼盖钢梁被烧扭曲 10 cm左右。

2 建筑中钢结构的缺点及破坏机理

钢结构具有耐腐蚀性能差和防火性差的缺点。腐蚀问题可以通过涂刷高性能防护漆、定期维护和研制提高钢材本身的防腐蚀性来解决。钢材耐热不耐高温,随着温度的升高,强度和弹性模量下降,伸长率和线膨胀系数增大。这体现了钢材温度升高时强度下降塑性提高。钢结构通常在600℃温度左右强度就会降为零而失去承载能力,发生很大的形变,导致建筑物崩溃倒塌。一般不加保护的钢结构的耐火极限为 15m in左右,与建筑物耐火极限标准差距很大,也正是这一缺点制约了钢结构的运用和发展。

火灾下建筑钢结构破坏机理可以从英国著名的BER Cradintgon钢结构火灾实验中总结出以下几点:(1)高温使钢材的弹性模量降低,结构刚度下降;(2)高温使材料强度降低,甚至熔化,导致结构承载能力下降;(3)构件内部不均匀升温,使构件内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀,从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。这3个方面的共同作用,导致建筑构件变形增大、开裂、屈曲、破坏,甚至局部或整体倒塌。

3 钢结构建筑防火方法

钢结构直接应用到建筑中,达不到国家规范要求的建筑构件耐火等级,必然会遗留下先天性火灾隐患,危害人们的生命财产安全。所以,必须对钢结构做防火处理。火灾的发生机理非常复杂,单体建筑的防火设计是一个系统工程,一般分为防止起火及火势扩大系统、防烟与安全疏散系统、机构耐火设计系统等。钢结构防火属于结构耐火设计部分。由于整个系统具有统一性,钢结构防火设计必须放在整个建筑防火系统中加以考虑。目前我国钢结构设计的国家标准《建筑设计防火规范》、《高层民用建筑设计防火规范》对建筑物的耐火等级及相应构件的耐火等级做了具体的规定。我们在做钢结构防火设计时,要求钢构件的耐火极限大于规范要求的耐火极限。

钢结构的防火保护有多种方法,选择钢结构的防火措施时,应考虑下列因素:钢结构所处部位、需防护的构件性质(如屋架、网架或梁、柱)、钢结构采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间、防护材料的可靠性、施工难易程度和经济性等。另一种为主动防火法,就是提高钢材自身的防火性能或设置结构喷淋。但目前采用防火涂料进行阻燃的方法被认为是有效的措施之一,钢结构防火涂料在 90%钢结构防火工程中发挥着重要的保护作用。

3.1 被动防火法

被动防火法主要有钢结构构造防火保护和防火涂料保护等。主要目的是为钢结构提供了足够的耐火时间。构造防火方法主要有混凝土防火保护、防火板保护、金属网外包砂浆保护和外包防火层等方法。防火涂料保护是针对外露的钢结构构件,通过涂刷防火涂料提高钢结构耐火极限的方法。

3.1.1 构造防火保护方法

3.1.1.1 混凝土或砌筑耐火砖防火保护

承重钢结构采取混凝土防火措施,以延长其耐火极限。用普通水泥混凝土将钢结构包裹起来,即我们通常意义上说的钢管(筋)混凝土结构。混凝土可参与工作(如劲性混凝土结构),也可以只起保护作用。混凝土厚 50mm时,耐火极限可达3 h左右。

在钢结构构件四周浇筑混凝土或砌筑耐火砖也是一种保护方法。上海外滩的浦发银行(原汇丰银行)、浦东世界金融大厦、上海信息大厦中部钢结构就使用的这种方法。这种方法比较可靠,但较适合于阴柱的保护。对于梁等其他构件,施工比较麻烦且自重大;对于初期升温很快的火灾也不太适用。这种保护方法在高温作用下易发生崩裂现象。

3.1.1.2 防火板对钢结构的保护

国外一些国家自 70年代中期以来,相继研制成功硅酸钙防火板,适用于钢结构的防火保护。作为钢结构直接包敷保护法的一种,防火板保护钢结构早已在建筑工程中应用。早期使用的防火保护板材主要有蛭石混凝土板、珍珠岩板、石棉水泥板和石膏板,还有的是采用预制混凝土定型套管。板材通过水泥砂浆灌缝、抹灰与钢构件固定,或以合成树脂粘结,也可采用钉子或螺丝固定。日本JIC公司 1984年即开始生产硅酸钙防火板(KB防火装饰板),最高使用温度1 000℃。90年代中期德国和丹麦研制成功最高使用温度达 1 100℃的硅酸钙高温防火板。国内最近自行研制成功了GF和爱特等品牌新型钢结构硅酸钙防火板,最高使用温度可达1 100℃,耐火极限可达 4 h(30mm厚)。作为钢结构防火板材应具备重量轻、强度高、隔热性好、耐高温、耐候性好等特点。

3.1.1.3 用金属网外包砂浆保护钢结构

这其中的金属网起到骨架增强的作用。此外,还可用陶粒混凝土或加气混凝土防护,可预制成砌块或现浇,防火效果亦十分理想。

3.1.1.4 外包柔性卷材防火层保护方法

主要是以硅酸铝、陶瓷棉毯等隔热保温材料以卷材的形式直接包裹到需要进行保护的钢结构上,其施工快捷迅速。目前柔性卷材防火保护在国外有相关的报道,国内还很少见应用实例。

3.1.1.5 在钢结构构件内部充水保护法

这种方式依靠火灾时向钢结构构件内部充入循环水进行降温冷却,达到保护钢结构的目的。它需要一套完善的火灾报警联动系统和足够的水源与供水系统,效果良好,但成本较高、火灾时增加结构自重、且结构内部需作耐水腐蚀处理。这种方法国内外均试验不多。

3.1.2 防火涂料保护法

防火涂料保护法就是在钢结构上喷涂防火涂料以提高其耐火极限。目前,我国钢结构防火涂料主要分为薄涂型和厚涂型两类,即薄型(B类,包括超薄型)和厚型(H类)。薄型涂层厚度在 7mm以下,在火灾时能吸热膨胀发泡,形成泡沫状炭化隔热层,从而阻止热量向钢结构传递,延缓钢结构温升,起到防火保护作用。其主要优点是:涂层薄,对钢结构负荷轻,装饰性较好,对小面积复杂形状的钢结构表面的施工比厚型要容易;厚型涂层厚度为 8～50mm,涂层受热不发泡,依靠其较低的导热率来延缓钢结构温升,起到防火保护作用。两者具有不同的性能特点,分别适用于不同场合,但是,无论那种产品均应通过国家检测机构检测合格,方可选用。

总之,在选用钢结构构件耐火保护材料时,除需要考虑材料的耐火性能外,还要考虑材料的耐久性、耐候性、耐腐蚀性、抗反复荷载性能以及高温稳定性等,使其既能满足功能要求,又具有一定的经济效果。

3.2 主动防火法

钢结构构件的主动防火保护就是提高钢材自身的防火性能或设置结构喷淋等建筑内的主动消防措施,如采取排烟、自动灭火系统,排除室内热量、抑制火灾增长和灭火,在火灾发生后从根本上消除高温和火焰对钢结构构件的威胁,以实现保护钢结构的方法。与被动耐火保护相比,它是一种更积极的保护方式。

实践证明,在建筑物内设置自动灭火设施,能有效地抑制火灾的蔓延扩大或扑灭初期火。这样可以降低室内温度,使建筑结构得到保护,并为人员疏散创造良好的条件与环境。因此,应根据场所内的可燃物性质和可能的火灾规模、结构体系设计和建筑的性质与功能,选用相适用的自动灭火设施,能够扑灭该场所内的初期火而不致使火灾扩大或蔓延时,就可以适当降低对钢结构耐火性能的要求。但应注意,钢结构的耐火保护是对整个钢结构体系而言的,设计时应考虑结构间的传热与内力分布影响。此外,建筑物内设置的灭火设施是否能在火灾时发挥作用,除应按照规范和有关标准要求选用合格产品、保证安装质量外,还与日常是否有良好的维护与运行密切相关。

4 结束语

虽然钢结构由于其独特的性能被广泛应用于建筑场合,但是由于其固有的不耐火的缺点,我们在应用中,要采取不同的方法手段来解决这个问题,关键是由场合、耐火极限要求、成本等因数综合考虑,可以单独采用一种方法,或采用几种方法配合来达到我们的设计要求。目前的防火处理方法基本能满足规范规定耐火时限要求,但是新的防火方法还有待于研究。

[1] 刘刚.钢结构防火设计的研究[D].天津大学,2007

[2] 杨西娜.钢结构建筑抗火性能研究[D].西安建筑科技大学,2006

[3] 时虎,胡源.钢结构建筑的火灾危险性和防火保护[J].中国公共安全(学术卷),2006(1)

[4] 闫百慧,侯静.建筑钢结构的防火处理[J].中国新技术新产品,2009(2)

TU998.12

B

2010-01-29

房绍方,男,工程师,研究方向:建筑防火。