谈建筑钢结构防火和结构性能化防火方法

2013-08-21肖向锋

山西建筑 2013年25期

肖向锋

(山西省第三建筑工程公司，山西长治 046000)

0 引言

近年来，随着中国经济的发展，城市化水平显著提高，建筑业发展突飞猛进，已经成为我国四大支柱行业之一。目前的高层建筑尤其在超高层建筑中，钢结构所占的比重也日益增多。这是由于钢材的强度高、自重轻、整体刚性好、抗震性好、工业化程度高、变形能力强、可再次利用，在建造大跨度和超高、超重型的建筑物时，有着很大的优越性。然而，钢结构也有很大的缺点，即耐火性能差。在国内外钢结构火灾倒塌案例中，钢结构短时间内失效造成严重的生命财产损失。因此，钢结构的火灾防护也愈来愈引起重视。对高层及超高层建筑的承重的钢结构必须采取必要而有效的防火措施，保护生命财产安全。此外，保证建筑在火灾下的结构安全也是进行建筑结构防火的一个重要问题。

1 钢结构的防火

钢结构在建筑中最致命的缺陷就是抗火性太差。钢材的热膨胀系数很高，在高温下其结构容易发生屈曲，另外由于钢材的导热性能良好，更容易使整体结构遭到破坏。钢结构在高温时，其屈服强度、弹性模量会随着温度的升高而降低。在400℃的温度下，其屈服强度为室温下强度的一半;在600℃的温度下，钢材基本丧失全部的强度和刚度。

在火灾发生时，延缓建筑的倒塌或者破坏的时间，及时的疏散人群和灭火，是在设计建筑时要考虑的。通常，可以定义结构耐火极限来衡量一个建筑的防火性能。我国对无防火被覆钢进行耐火极限测试，确定了Ⅰ36b，Ⅰ40b标准工字钢材的耐火极限分别为15 min，16 min。出现火灾时，无防火措施的建筑钢材会在短时间内失效，导致建筑物迅速坍塌，给营救和灭火工作带来很多困难。在提高耐火极限的措施中，传统的做法为:1)在钢结构的周围砌上粘土砖，用砂浆填充其中，砂浆饱满度达到80%以上，粘土砖厚度达到120 mm时，测得耐火极限可延长至2.85 h。2)在钢结构的周围浇灌水泥混凝土，其厚度达到100 mm时，耐火极限同样可延长至2.8 h。3)采用金属网外加砂浆的方式，根据厚度的不同，同样可以提高耐火极限。4)使用防火涂料。5)在钢结构构件内部充水保护，在火灾发生时，向钢结构构件内部注入循环水以降温冷却，从而保护钢结构。前三种方式都是将钢结构用耐火材料包裹起来，从原理上来讲，称其为包封法。第四种是将防火涂料喷涂在构件的表面，形成防火涂层，具有便于施工，钢结构的外形不受其影响，涂料本身重量轻，耐火时间长等优点。

1)外包层。

外包防火层一般用于钢柱结构，随着技术的不断进步，使用防火板作保护层技术越来越多。其主要用于耐火等级为一、二级的建筑物的钢柱与屋顶的承载构件，并对这些构件进行被覆，隔离热源，以此来提高钢结构的耐火极限。

2)防火涂料。

防火涂料分为遇到高温后发生膨胀和不发生膨胀两类。由于膨胀型防火涂料在高温时膨胀，形成数十倍的泡沫碳质层，能有效隔离外部热源对钢结构的作用，其效果要优于非膨胀型涂料。

在防火涂料研究方面，我国从1985年开始，研制出一系列钢结构防火隔热涂料和钢结构膨胀防火涂料。而且，在对钢结构防火涂料的耐火性和耐久性方面也做出了不少成果。

3)疏导法。

疏导法的原理与上述方法不同，这种方法允许热量传递到构件上，然后通过热传递将热量输送出去，使构件温度不至于达到钢的临界温度，从而起到保护作用。

目前主要是采用充水冷却防护，将水注入空心封闭截面中，发生火灾时将热量从注入的水中带走，如此循环，可使构件的温度保持在100℃左右。但由于这种方法对结构设计要求比较高，应用此方法的建筑还比较少。

4)耐火钢。

20世纪80年代末期，日本研究者在钢中添加微量的Cr，Mo，Nb等稀有元素，研制出了耐火钢。这种耐火钢在温度为600℃时其屈服强度仍可以保持在室温值的2/3以上，这相当于该材料的长期许用应力值。发生火灾时，耐火钢的屈服强度如果保持此值，建筑物就不会坍塌。这对建筑防火来说，具有很大的优势。除此之外，耐火钢和普通建筑用钢比，其费用也比较低［1］。普通建筑用钢和耐火钢的防护成本对比见表1。

表1 普通建筑用钢和耐火钢的防护成本对比

目前，耐火钢的使用逐渐增多，产品的型号也日益增多，我国也已经开发出了一系列的耐火钢，同时兼顾防腐、抗震性能的耐火钢也将成为建筑用钢的发展趋势。

2 结构性能化防火

结构防火是根据建筑和结构的火灾防治要求，采用一定的方法、按照一定的步骤确定结构防火措施的行动。高层和超高层建筑的结构复杂，传统的防火形式已经不适用于这类建筑。20世纪60年代，性能化防火的概念开始在建筑领域广泛传播和应用。大型的国际会议也纷纷召开，促进了性能化防火设计的发展。其基本理念是建立结构模型，模拟整个火灾过程，从中预测和判断结构的安全性能。采用这种防火方法能使设计方案合理，达到有效的防火目的，其方法也灵活多样，便于加入新元素来提高防护效果。其设计理念能使防火安全、火灾损失和预期目标更好的结合起来。

现今结构防火设计主要有下列几种方法［2］:

1)基于试验的结构抗火设计方法。根据建筑的重要性和火灾的危险性确定相应的耐火极限。

2)基于计算的结构抗火设计方法。根据构件的受力等情况来分析构件的抗火能力，其方法与实际吻合的比较好。

3)性能化结构抗火设计方法。以防止整体结构坍塌和人员安全与火灾经济损失最小为目的，设计抗火结构。这种方法能最大限度的模拟实际的抗火能力，是一种比较先进的抗火设计方法。

由于此方法涉及的学科内容比较多，设计中问题的考虑需要面面俱到，这要求设计人员有较高的专业水平。此种方法是一种新型的抗火方法，其设计的制定还需完善，实际应用还需要一段时间。