淺論鋼架結構的防火措施

李建朝 魏倫杰 王志寬

摘要:近年來,大跨度鋼架結構廣泛應用于各類建筑物。通過對鋼構件耐火性能分析,結合規范要求,對目前通用的幾種鋼結構防火保護措施作了比較。

關鍵字:鋼架結構 防火 措施

近年來,我國經濟有了突飛猛進的發展,隨著經濟的發展帶來了建筑業的空前繁榮,一些大跨度鋼架結構應運而生,廠房、橋梁、住宅、體育館、展覽館、商場、超市等建筑越來越廣泛運用輕鋼結構。鋼結構作為現代建筑的主要形式,因具有質量輕、強度高,抗震性能好,施工周期短,建筑工業化程度高,空間利用率大,節省投資等優點,而被大量應用。但鋼架結構耐火性能差,要克服這一缺點就必須對其進行防火處理。

一、鋼構件的特點和鋼材性能

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金,碳大于2%時則為鑄鐵。制造鋼構件所用的材料由碳素結構鋼中的低碳鋼及低合金鋼。碳素結構鋼由純鐵、碳及雜質元素組成。低合金結構鋼中,除上述元素外還加入合金元素,后者總量通常不超過3%。碳是形成鋼材強度的主要成分。碳含量提高,則鋼材強度提高,但同時鋼材的塑性、韌性、冷彎性能、可焊性及抗銹蝕能力下降。含碳量小于0.25%的為低碳鋼,鋼結構用鋼的碳含量一般不大于0.22%。鋼材雖然是不燃燒體,但就其自身耐火性能來講,遠低于磚石和鋼筋混凝土,鋼結構建筑具有耐火性能差這個致命弱點,在未進行防火保護的情況下,火災時,其強度會迅速下降。約在150℃以內鋼材性能沒有很大的變化;430℃—540℃之間則強度急劇下降;600℃時強度很低不能承擔荷載。另外,250℃四周出現蘭脆現象,約260℃—320℃時有徐變現象。在自身溫度達到540℃左右時,鋼材的屈服應力僅有常溫屈服應力值的40%,使承載能力急劇下降,鋼結構不可避免地發生變形,造成鋼結構建筑物一部分或全部垮塌毀壞。一般火場溫度達到800℃—1000℃,在這樣高的溫度下,裸露的鋼結構會很快出現塑性變形,產生局部破壞,造成鋼結構建筑整體倒塌。

二、鋼構件的耐火等級

鋼的內部晶體組織對溫度非常敏感,溫度的升高或者降低都會使鋼材性能發生變化。總的趨勢是隨著溫度的升高,鋼材強度降低,變形增大。

耐火極限是指對任一建筑構件按時間-溫度標準曲線進行耐火實驗,從受到火的作用時起,到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用時止的這段時間。常用鋼結構構件的耐火極限只有15min—30min。我國20世紀90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進行了驗證,確認I36b、I40b標準工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min。

《建筑設計防火規范》中,將建筑物的耐火等級劃分為四級,劃分的依據是組成建筑物的構件的燃燒性能和構件最低的耐火極限。未經防火保護的鋼結構建筑物的耐火等級僅為四級,不能滿足火災情況下對建筑防火的要求。所以,鋼結構建筑物必須對鋼結構進行必要的防火保護,克服其材料實際應用中耐火性能的不足,達到規范對相應使用性質和建筑規模建筑物的耐火等級要求。

三、鋼架結構的防火保護

防止鋼架結構在火災中迅速升溫發生形變塌落,其措施是多種多樣的,關鍵是要根據不同情況采取不同方法,如采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結構,降低熱量傳遞的速度以推遲鋼結構的溫升時間等。我國的鋼結構防火主要采用防火涂料、發泡防火漆、外包防火層、內充水(水套)、屏蔽等方法。對于外露的鋼結構構件,如樓梯等多用涂料和漆料,采用10～40mm厚的涂料,耐火極限可達1.5～3h,而發泡漆的耐火時間一般為0.5h。對隱藏的構件,珍珠巖防火噴涂或采用防火板是經濟有效的方法,30～40mm厚的噴涂可實現1.5h的耐火極限,并兼有一定的防腐能力。暴露鋼構件一般采用耐腐蝕涂料或油漆防腐,由底漆和面漆組成。目前防腐涂料的有效期為10～20年,所以要定期重新涂刷。鍍鋅壓型鋼板本身具有一定的防腐能力,在用于樓蓋時可借助于防火涂料解決防腐問題,但用于屋面和外墻面時還要涂以有機涂料,增加其耐久年限。

(一)防火涂料法

防火涂料又稱阻燃涂料,是指涂裝在物體表面,防止火災發生、阻止火勢蔓延傳播或隔離火源,延長基材著火時間或增加絕熱性能以推遲結構破壞時間的一類涂料。它不僅具有普通涂料的裝飾性,而且具有防腐、防銹、耐酸堿、鹽霧等性能。目前,我國鋼結構防火涂料主要分為厚涂型和薄涂型兩類,即厚型(H類)和薄型(B類,包括超薄型)。

1.厚涂型鋼結構防火涂料。厚涂型鋼結構防火涂料在火災中利用材料的不燃性、低導熱性或涂層中材料的吸熱性,延緩鋼材的溫升,保護鋼材。這類防火涂料是用合適的粘結劑,再配以無機輕質材料、增強材料組成,具有成本較低的優點。施工常采用噴涂,一般用在耐火極限≥2h的鋼結構防火保護中。高層民用建筑的柱、一般工業與民用建筑中的支承多層的柱的耐火極限均應達到2.5h以上,需采用該厚型防火涂料保護。

2.薄涂型鋼結構防火涂料。薄涂型鋼結構防火涂料受火時能膨脹發泡,以膨脹發泡所形成的耐火隔熱層延緩鋼材的溫升,保護鋼構件。這類鋼結構防火涂料一般是用合適的乳液聚合物作基料,再配以阻燃劑、添加劑等組成。對這類防火涂料,要求選用的乳液聚合物必須對鋼基材有良好的附著力、耐久性和耐水性。其裝飾性優于厚涂型防火涂料,一般耐火極限在2h左右。因此常用在≤2h耐火極限的鋼結構防火保護工程中,常采用噴涂施工。可對高層民用建筑中的梁,一般工業與民用建筑中支承單層的柱、梁、樓板以及屋頂承重構件中的鋼結構進行防火保護。另外,還有一類超薄型鋼結構防火涂料,該類鋼結構防火涂料受火時膨脹發泡形成致密的防火隔熱層,該防火層延緩了鋼材的溫升,提高了鋼構件的耐火極限。

(二)發泡防火漆法

防火漆是由成膜劑、阻燃劑、發泡劑等多種材料制造而成的一種阻燃涂料。防火漆與一般油漆相比,在物理性能方面基本一樣,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃燒,遇火時,能推遲火焰延燒到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。據試驗:將一般油漆與防火漆分別涂在木板上,干燥后,用同樣的火焰烘烤,涂一般油漆的木板,不到2分鐘就和油漆一道焦灼;而涂非膨脹惰氣型防火漆的木板,2分鐘后僅出現陰燃現象,靜置30秒后立即熄滅;涂膨脹惰氣型防火漆的木板,即使烘烤15分鐘,連陰燃現象也未出現。由此可見,用防火漆涂于物體表面,可以一定程度的阻止火勢蔓延,保護物體表面,從而為滅火戰斗爭取寶貴的時間。

1.防火漆施工工藝。(1)將鋼結構表面除銹后,刷涂一層鐵紅或紅丹底漆,底層完全干燥后方可進行下一工序。(2)使用前將涂料攪拌均勻,基材表面清除干凈,無油污、無塵土。(3)采用刷涂或噴涂,涂膜均勻,若涂料過稠可用專用稀料稀釋。間隔6小時后刷第二遍,濕涂覆量≥500g/平方米。(4)涂料未用完,須將桶蓋重新封嚴。

2.防火漆施工注意事項。(1)涂料所用溶劑為揮發性易燃物,施工時注意通風,嚴禁火種并采取必要的消防措施;(2)涂料未實干前,禁止與水接觸。

(三)外包防火層法

外包防火層法就是在鋼結構外表添加外包層,可以現澆成型,也可以采用噴涂法。現澆成型的實體混凝土外包層通常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。噴涂法可以在施工現場對鋼結構表面涂抹砂漿以形成保護層,砂漿可以是石灰水泥或是石膏砂漿,也可以摻入珍珠巖或石棉。同時外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預制板,采用膠粘劑、釘子、螺栓固定在鋼結構上。

(四)內充水(水套)法

空心型鋼結構內充水是抵御火災最有效的防護措施。這種方法能使鋼結構在火災中保持較低的溫度,水在鋼結構內循環,吸收材料本身受熱的熱量。受熱的水經冷卻后可以進行再循環,或由管道引入涼水來取代受熱的水。

(五)屏蔽法

鋼構件設置在耐火材料組成的墻體或頂棚內,或將構件包藏在兩片墻之間的空隙里,只要增加少許耐火材料或不增加即能達到防火的目的。這是一種最為經濟的防火方法。

四、結束語

今后,隨著農業、工業、國防和科學技術現代化的進程和鋼產量的不斷提高,大跨度鋼架結構的應用會有很大發展。針對鋼結構建筑消防安全方面存在的耐火等級先天較低的情況,應鼓勵摸索研究鋼結構防火保護新措施,研究耐火性能好、時效長、粘結力高的鋼結構防火材料以及金屬、非金屬鋼結構復合防火材料,積極應用建筑耐火鋼,進一步提高鋼結構建筑的耐火性能。

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