钢结构的防火梁鸿骏摘要本文论述了火灾对钢结构的危害和钢结构抗火设计的目标与意义并指出了国内目前钢结构防火的现状通过比较各种传统的钢结构抗火设计方法认为利用防火涂料的方法实用性和可用性最强最后指出了今后钢结构抗火设计的发展趋势关键词钢结构抗火防火保护防火方法0引言在城市建设快速发展的今天虽然仍然大多数建筑都以钢筋混凝土结构为主但钢结构体系以它的强度高自重轻性能稳定韧性好安装容易施工施工安全日志建设工程施工现场供用电安全规范施工周报临时用电施工组织设计施工总平面布置图周期短抗震性能好投资回收快环境污染少等综合优势且适合于批量生产的特点使其以惊人的速度崛起与钢筋混凝土结构相比更具有在高大轻三个方面发展的独特优势使得钢铁成了最佳建筑用结构材料但随着在我国建筑行业中钢结构越来越广泛的应用钢结构的防火问题乘法口算100题七年级有理数混合运算100题计算机一级题库二元一次方程组应用题真心话大冒险刺激问题就越来越突现出来众所周知钢结构在高温火焰的直接灼烧下一般只有15分钟的耐火极限会很快失去承载能力将对整个建筑物造成灾难性的后果正因为如此对钢结构采取有效保护措施使其免受高温火焰的直接灼烧延缓坍塌时间为消防扑救提供宝贵的时间就显得十分重要1课题背景及意义2001年9月11日上午发生了让世界震惊的911事件著名建筑师山崎实在纽约的标志性建筑世界贸易中心成为恐怖分子袭击的目标两架空中客机撞击了贸易中心的两座塔楼一个小时后两座塔楼先后垮塌这座著名的高层建筑灰飞烟灭这个高层钢结构的倒塌在建筑界引起了极大的轰动钢结构的防火成为一时的话题从钢结构建筑的历史上看早在19世纪钢结构在建筑上应用就已经有了相当高的成就随着结构力学理论和实验结合而成的静力学体系的确立以及轧制锻铁和钢材的普及钢结构建筑也开始了新的时代进入19世纪80年代起建筑结构就开始使用轧制钢材了这时候涌现了大批的车站库房和展览馆等钢结构建筑这些建筑直到今天还在充分发挥各自的功能随着其应用的越来越推广其责任也越来越大因为一旦火在时间和空间上失去控制便易酿成火灾而现在钢结构以大规模应用于工业民用建筑和一些公共建筑如果在发生火灾时没有足够的逃生时间和空间的话将会受到极大地损失根据国家标准《消防基本术语》GB5907-86火灾被定义为在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害由于火灾与人类的生产生活密切相关火灾的发生具有不确定性火灾机制复杂如果防火措施不当火灾在建筑内外还易于蔓延是一种易导致较严重后果的多发性灾害据统计我国50年代年平均火灾直接经济损失05亿元60年代15亿元70年代25亿元80年代32亿元进入90年代火灾损失更为严重例如1995年我国发生火灾37915起死亡2278人伤3838人直接经济损失1103亿元不含军队森林火灾占国内生产总值的189‰2000年全国共发生火灾189185起死亡3021人伤4404人直接经济损失1522亿元[1
]钢结构虽然是非燃烧材料但不具有耐火性普通建筑用钢中国国家标准GB700-88《碳素结构钢》和GB1591-1994《低合金结构钢》要求的Q235Q345钢等在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540℃左右一般在300～400℃时其强度开始迅速下降到500℃左右其强度下降到40％～50％钢材的力学性能诸如屈服点抗压强度弹性模量以及荷载能力等都迅速下降低于建筑结构所要求的屈服强度也就是低于建筑结构的承载许用应力钢筋铁骨就变成了绕指柔我国20世纪90年代初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证确认了I36bI40b标准工字钢梁的耐火极限分别为15min16min因此若用没有防火保护的普通建筑用钢作为建筑物承载的主体一旦发生火灾则建筑物会迅速坍塌对人民的生命和财产安全造成严重的损失所以在钢结构发展到今防火措施已经不是可有可无的附属结构是有关于建筑物安全的主要设施之一2目前国内现状目前我国年钢产量已居世界首位大量的钢产品亟待消费从欧洲美国日本等发达国家与地区的经验来看建筑业终将是钢材应用的主要市场钢材属于再利用材料从环保的角度来看钢结构具有混凝土结构不可比的优势专家指出在21世纪传统的混凝土结构在建筑中的主导地位必将被钢结构所取代事实上近年来钢结构在我国的应用正逐渐多了起来其应用已从我国的沿海地区发展到内地省份从工业建筑扩大到民用建筑可以预见随着我国国力的增强整体科技水平的提高钢结构在我国的应用将越来越普遍相对于钢筋混凝土结构而言钢结构的防火问题更是一个不可回避的问题由于钢材的导热系数远比混凝土的大约为是混凝土的40倍钢结构构件截面比钢筋混凝土结构的宽展以及钢材力学性能在高温下特有的一些变化等原因火灾对钢结构的威胁远大于钢筋混凝土结构近些年我国已经发生了无数起钢结构火灾事故关于防火措施的研究已经迫在眉睫了表入党积极分子考察表目数与毫米对照表教师职称级别一览表员工考核评分表普通年金现值系数表1-1为部分火灾事例[2]表1-1一些火灾案例建筑物名称结构类型火灾日期破坏情况重庆天原化工厂钢屋架196021820分钟倒塌天津市体育馆钢屋架19735319分钟倒塌长春卷烟厂钢木结构198153倒塌北京友谊宾馆剧场钢木结构198312倒塌四川江油电厂俱乐部钢屋架198742120分钟倒塌3钢结构的防火方法及意义31钢结构防火的意义钢结构防火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定基本建设项目建设成本管理规定赡养老人的法律规定三八妇女节放假规定三八节放假规定鞋类三包规定的耐火极限钢虽然是非燃烧材料但不耐火在火灾高温下结构钢的强度和刚度都将迅速降低故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏因此钢结构抗火设计的一般要求是如何定量地确定防火保护措施使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限进行钢结构防火设计具有如下
意义1减轻钢结构在火灾中的破坏避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程以争取时间灭火救人2避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡3减少火灾后钢结构的修复费用缩短灾后结构功能恢复周期减少间接经济损失32钢结构的防火保护方法从原理上来讲主要可划分为两种截流法和疏导法[3]321截流法截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度其作法是构件表面设置一层保护材料火灾产生的高温首先传给这些保护材料再由保护材料使给构件由于所选材料的导热系数较小而热容又较大所以能很好地阻滞热流向构件的传输从而起到保护作用截流法又分为喷涂法包封法屏蔽法和水喷淋法3211喷涂法喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面形成保护层钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7mm有一定装饰效果高温时涂层膨胀增厚具有耐火隔热作用耐火极限可达05～15小时这种涂料又称钢结构膨胀防火涂料厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm粒状表面密度较小导热系数低耐火极限可达05～30小时这种涂料又称钢结构防火隔热涂料[4]钢结构防火涂料的防火原理有三个一是涂层对钢基材起屏蔽作用使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体起到消耗热量降低火焰温度和燃烧速度稀释氧气的作用三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层阻止了热量迅速向钢基材传递推迟了钢基材强度的降低从而提高了钢结构的耐火极限喷涂法适用范围最为广泛可用于任何一种钢构件的耐火保护3212包封法包封法就是在钢结构表面做耐火保护层将构件包封起来其具体做法有一用现浇混凝土作耐火保护层所使用的材料有混凝土轻质混凝土及加气混凝土等这些材料既有不燃性又有较大的热容量用作耐火保护层能使构件的升温减缓由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落可在钢材表面加敷钢丝网进一步提高其耐火的性能二用砂浆或灰胶泥作耐火保护层所使用的材料一般有砂浆轻质岩浆珍珠岩砂浆或灰胶泥蛭石砂浆或石灰胶泥等上术材料均有良好的耐火性能其施工方法常为金属网上涂抹上述材料三用矿物纤维其材料有石棉岩棉及矿渣棉等具体施工方法是将矿物纤维与水泥合再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂构成海绵状的覆盖层然后抹平或任其呈凹凸状上述方式可直接喷在钢构件上也可以向其上的金属网喷涂且以后者效果较好四用轻质预制板作耐火保护层所用材料有轻质混凝土板泡沫混凝土板硅酸钙成型板及石棉成型板等等其做法是以上述预制板包覆构件
北京回收钢结构
板间连接可采用钉合及粘合这种构造方式施工简便而工期较短并有利工业化同时承重钢结构与防火预制板的功能划分明确火灾后修复简便且不影响主体结构的功能因而具有良好的复原性3213屏蔽法屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内在钢梁钢屋架下作耐火吊顶火灾时可以使钢梁钢屋架的升温大为延缓大大提高钢结构的耐火能力而且这种方法还能增加室内的美观但要注意吊顶的接缝孔洞处应严密防止窜火3214水喷淋法水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网火灾时自动启动或手动开始喷水在构件表面形成一层连续流动的水膜从而起到保护作用由上述可知这些方法的共同特点是设法减小传到构件的热流量因而称之为截流法322疏导法与截流法不同疏导法允许热量传到构件上然后设法把热量导走或消耗掉同样可使构件温度不至升高到临界温度从而起到保护作用疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法该方法是在空心封闭截面中主要是柱充满水火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走构件温度便可保持在100℃左右该系统工作时构件相当于盛满水被加热的容器像烧水锅一样工作只要补充水源维持足够水位而水的比热和气化热又较大构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充蒸气由排气口排出当柱高度过大时可分为几个循环系统以防止柱底水压过大为防止锈蚀或水的冰结水中应掺加阻锈剂和防冻剂水冷却法既可单根柱自成系统又可多根柱联通前者仅依靠水的蒸发耗热后者既能蒸发散热还能借水的温差形成循环把热量导向非火灾区温度较低的柱33钢结构防火方法的比较前面介绍了几种钢结构的防火保护方法每种方法都有其优点和缺点如何选择钢结构的防火方法时应考虑下列因素钢结构所处部位需防护的构件性质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下面对各种方法进行一下比较331疏导法疏导法同喷涂法包封法屏蔽法一样是一种被动保护方法从理论上讲它是钢结构保护最有效的方法只要满足供水等条件可以在火焰灼烧状态下永久保护钢结构的安全但实际应用中该方法对施工要求严格成本高特别是对系统复杂高度大的建筑需要十几套甚至几十套系统来维持而且在使用要对系统进行经常性维护保养维护费过大该方法在国内外都很少见332水喷淋法水喷淋法同其他几种保护方法不同是一种主动保护方法即在火焰烟气作用于钢结构之前系统主动去降低火焰烟气的温度从而保护钢结构不受损害其特点是造价相对较低施工简单但其缺点也很明显1防护效果不好一旦水喷淋系统失灵强度不足或火焰温度高上升快钢结构将直接暴露在火焰或高温下将失去保护的作用2受空间和钢结构几何形状限制对于结构复杂的钢结构水喷淋将起不到保
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护作用3受环境因素影响大对于室外或室内温度过高过低的建筑将无法使用该方法333屏蔽法屏蔽法即可以保护钢结构同时也可以增加室内的美观但在施工中要求工艺较高吊顶的接缝孔洞处要封闭严密防止窜火而且大空间大跨度的钢结构将无法使用应用范围狭窄334包封法包封法是目前广泛使用的一种钢结构防火方法该方法施工简便造价低防护效果好在实际工程中应用非常广泛特别是在对钢柱钢梁楼板保护中多数采用此方法但此方法增加了结构的重量占用空间影响美观因此对于一些特殊部位如屋盖中庭大跨度空间有装饰需要的场所无法使用此方法335喷涂法喷涂法是近几十年来新兴的一项钢结构保护方法与其它保护方法比较其具有施工简便无须复杂的工具即可施工重量轻造价低而且不受构件的几何形状和部位的限制具有装饰作用等优点已成为应用范围最为广阔效率最高的钢结构防火保护方法从燃烧的条件知道要使燃烧不能进行必须将燃烧的三个要素中的任何一个要素隔绝开来因此防火涂料之所以可以防火大致可以归纳为以下几点1防火涂料本身具有难燃烧性或不燃性使之被保护的可燃性基材不直接与空气接触而延缓基材着火燃烧2膨胀型防火涂料遇火膨胀发泡生成一层泡沫隔热层封闭被保护基材阻止基材燃烧3防火涂料遇火受热分解放出不燃烧的惰性气体冲淡被保护基材受热分解放出的易燃气体和空气中的氧气抑制燃烧4燃烧被认为是游离基引起的连锁反应而含氨磷的防火涂料受热分解放出一些活性自由基团与有机自由基结合中断连锁反应降低燃烧速度34钢结构防火保护的造价比较分析工程造价是决定工程实践的最主要因素之一钢结构的防火保护也是如此下表将对几种钢结构防火保护的造价进行简要的对比分析[5]表3-1钢结构防火保护造价对比表保护方法具体方法造价元施工难度应用范围疏导法充水保护150以上大窄水喷淋法闭式喷头水喷淋保护70120小窄屏蔽法矿棉板1525中中包封法现浇混凝土2030中中喷涂法钢结构防火涂料4070小宽注造价是以1米长表面积为04平方米的H型钢结构按总价折算进行估算通过上表对比可以看出不同钢结构保护方法的造价差别很大相差几倍甚至是十几倍疏导法造价最高且施工难度大应用范围小在实际工程中极少采用屏蔽法和包封法的造价最低且施工难度不大对于某些部位例如柱体等经常采用这种方式水喷淋法造价相对较高但施工容易因此在早期的实际工程中应用较多喷涂法是一种新兴的钢结构防火保护方法其造价相对低廉且应用范围极为广泛基本可以适用各种钢结构近几年被广泛的应用在各种工程实践中它也是未来钢结构防火保护的发展方向之一35小结通过以上的介绍和对比不难看出防火涂料与其他钢结构防火方法相比具有造
价低廉实用性强施工方便用途广泛等等优势而且随着科学技术的发展各种新的技术也逐步应用到防火涂料中其厚度也越来越薄防火效果越来越佳应用也越来越广泛所以笔者认为利用钢结构防火涂料方法是最行之有效的方法4总结和概述1钢结构由于具有强度高自重轻抗震性好施工速度快地基费用省占地面积小工业化程度高外观美观可再次利用等一系列优点已越来越多在高层建筑大跨度结构和轻型结构等方面得到日益广泛的应用随着我国经济建设发展的需要钢结构作为一种理想的建筑结构正显示出更加广阔的前景2钢结构不具有耐火性在高温火焰的直接灼烧下一般只有15分钟的耐火极限会很快失去承载能力在火灾温度作用下钢结构的强度是温度的函数一次函数的图像和性质标准差函数反三角函数公式表三角函数积分反三角函数公式外界温度越高强度下降得越快对钢结构进行防火保护对于保证建筑的安全具有重大的意义3对钢结构进行防火保护就是定量地确定防火保护措施使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限从原理上来讲主要可划分为两种截流法和疏导法截流法包括喷涂法包封法屏蔽法和水喷淋法疏导法主要是充水冷却法每种方法都有各自特点通过比较钢结构防火涂料具有施工简便重量轻造价低而且不受构件的几何形状和部位的限制具有装饰作用等优点目前已成为应用范围最为广阔效率最高的钢结构防火保护方法4钢结构防火涂料由于特殊的理化性质在刷涂或喷涂钢结构表面后能够很好的起到防火隔热作用防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌其中超薄型钢结构防火涂料更是近年新兴的防火涂料有其特殊的防火机理5钢结构防火涂料具有实用性但在施工过程中还要注意经济性6结构的主要功能是作为整体承受荷载火灾下结构的单个构件破坏并不一定意味着整体结构的破坏特别是对于钢结构一般情况下结构局部少数构件发生破坏将引起结构内力重分布结构仍具有一定继续承载的能力当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳现代结构设计以概率可靠度为目标因火灾的发生具有随机性且火灾发生后空气升温的变异性很大要实现结构抗火的概率可靠度设计必须考虑火灾及空气升温的随机性考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题必将是结构抗火设计的发展方向参考文献[1]公安部消防局中国火灾统计年鉴2001北京中国人事出版社200132[2]范维澄廖光煊钟茂华中国火灾科学的今天和明天中国安全科学学报200010[3]时虎钢结构的火灾危险性和防火涂料保护[4]国家标准GB14907-2002《钢结构防火涂料》北京中国标准出版社2002[5]李国强等钢结构抗火计算与设计北京中国建筑工业出版社1999
