鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性能探析

劉雷

（九江消防支隊(duì)，江西 九江 332000）

鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中與混凝土、砌體結(jié)構(gòu)一樣被廣泛運(yùn)用的一類重要建筑結(jié)構(gòu)。人們?cè)诔浞掷娩摻Y(jié)構(gòu)自重輕、施工周期短、抗震性能好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)帶來的便利的同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)也在一次次火災(zāi)中暴露出來的自身防火性能較差的弱點(diǎn)，給帶來人們了慘痛教訓(xùn)及巨大的損失。因此，社會(huì)也引起了對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能的探討與研究。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火性能研究的背景及價(jià)值

鋼結(jié)構(gòu)建筑距今已有100多年的歷史，作為建筑結(jié)構(gòu)的一種類型，以其自身具有的強(qiáng)度高，抗震性能強(qiáng)及自重輕等優(yōu)點(diǎn)，被人們廣的運(yùn)用在大跨度、高聳、超高層、重型、動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)建筑中。如廠房、庫(kù)房、體育館、展覽館、機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(kù)等工程。在世界上的許多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中所占的比例較高，有的國(guó)家甚至超過了60%。在我國(guó)，從90年代開始，鋼結(jié)構(gòu)就可開始被廣泛的運(yùn)用在高層建筑中。隨著城市建設(shè)的日新月異，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)高層建筑的需求不斷增高，在新建的許多高層建筑中使用鋼結(jié)構(gòu)的比例已經(jīng)超過了一半，而且這個(gè)比例隨著鋼結(jié)構(gòu)自身所具有的優(yōu)越特性還在不斷的提高。可以預(yù)想到的是，在將來的建筑領(lǐng)域中鋼結(jié)構(gòu)建筑作為一種綠色環(huán)保的建筑，將會(huì)是建筑市場(chǎng)的一支主力軍。

探討鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，提升鋼結(jié)構(gòu)的防火能力已經(jīng)變成當(dāng)下一個(gè)迫在眉睫的問題。讓人們?cè)诔浞掷煤拖硎茕摻Y(jié)構(gòu)帶來的便利的同時(shí)，也降低或減少鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的嚴(yán)重危害。同時(shí)通過社會(huì)面得廣泛關(guān)注，使大家能有效的提高對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，了解抵御鋼結(jié)構(gòu)防火性能較差的辦法和途徑，避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中局部或者整體倒塌造成的災(zāi)害和人員疏散的困難以及人員傷亡，減少火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用，縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)周期，減少間接經(jīng)濟(jì)損失。因此，探討鋼結(jié)構(gòu)的防火性能有著重要的意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

2 鋼結(jié)構(gòu)特性及變化應(yīng)考慮的因素

鋼材作為一種建筑材料其屬性是不然的，屬于非燃燒體，但在建筑結(jié)構(gòu)中，其自身的耐火性能卻是其一個(gè)主要的缺點(diǎn)，在高溫的狀態(tài)下，極易導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞，失去承重能力。鋼材屬于非燃燒體的一類建筑構(gòu)件，與相對(duì)應(yīng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)相比較，其自身所具備的耐火性能較差。試驗(yàn)表明：在不做任何防護(hù)措施的條件下，高結(jié)構(gòu)的耐火極限只有0.25h左右，在持續(xù)火災(zāi)高溫的影響下，隨溫度的升高，鋼材的各項(xiàng)性能有著很大的變化。

2.1 鋼材遇高溫時(shí)的熱膨脹性

火災(zāi)高溫情況下，鋼材因其自身的超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)會(huì)膨脹并產(chǎn)生出附加的應(yīng)力。鋼材具有良好的導(dǎo)熱性能，當(dāng)遇高溫?zé)釙r(shí)，熱量會(huì)迅速的傳遞和蔓延，試驗(yàn)結(jié)果表明：在700℃以前，鋼材構(gòu)件伴隨鋼溫的升高其熱膨脹也隨之增大，但在800℃～900℃期間，構(gòu)件在原有伸長(zhǎng)的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)縮短現(xiàn)象；溫度超過900℃時(shí)，又開始膨脹這一特性。 因此，未加保護(hù)的鋼構(gòu)件一旦遇火，其截面溫度迅速升高，嚴(yán)重影響到鋼結(jié)構(gòu)安全工作性能。

2.2 鋼材遇高溫的力學(xué)性能

在火災(zāi)高溫的環(huán)境下，250℃是影響鋼材力學(xué)性能的一個(gè)分界點(diǎn)。在250℃的溫度以下，鋼材的強(qiáng)度和彈性沒有明顯的變化。超過250℃時(shí)，隨著溫度的升高，鋼材自身的抗壓強(qiáng)度、彈性、等力學(xué)性能開始發(fā)生變化，出現(xiàn)迅速下降趨勢(shì)，產(chǎn)生"塑性流動(dòng)"現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境溫度升高至540℃左右，鋼材失去穩(wěn)定性。從實(shí)際發(fā)生的火災(zāi)事故當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，一般火場(chǎng)中都存在大量的高燃燒性能的物質(zhì)，火場(chǎng)溫度常常可以到達(dá)800℃甚至更高，暴露在這樣的火災(zāi)環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，只要很短的時(shí)間，便會(huì)失去其自身強(qiáng)度，造成彈性、塑性改變，產(chǎn)生局部的破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和完整性產(chǎn)生巨大影響，支撐力散失，最終造成的后果是鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體坍塌。

2.3 鋼材遇高溫的熱導(dǎo)性能

鋼材雖然不具有燃燒性能，但自身卻又很好的導(dǎo)熱性，是一種熱導(dǎo)性好的固體構(gòu)件。鋼材遇高溫時(shí)，其內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用較快，火焰、高溫?zé)煔狻峥諝馔ㄟ^熱輻射迅速在其內(nèi)部傳遞，從受熱局部向整體傳播，致使鋼結(jié)構(gòu)的整體受熱面積增大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響越大。

2.4 鋼材遇高溫的荷載性能

鋼結(jié)構(gòu)因其承載能力強(qiáng)，抗壓能力高而被廣泛在建筑結(jié)構(gòu)中使用。但是在高溫的環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)的基本荷載能力，也會(huì)隨溫度的不斷升高而逐步下降。在實(shí)際發(fā)生的火災(zāi)中，鋼結(jié)構(gòu)的局部高溫會(huì)逐漸的向整體傳播，隨著鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的升高，承載能力將下降，當(dāng)下降到與荷載、溫度產(chǎn)生的組合效應(yīng)相等時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到受火承載極限狀態(tài)。鋼結(jié)構(gòu)的性能安全需要充分考慮荷載與結(jié)構(gòu)約束條件的作用，才能在抗火設(shè)計(jì)時(shí)充分滿足性能安全要求，使結(jié)構(gòu)在承受確定荷載條件下，以達(dá)到提升耐火能力的要求。

3 提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能的主要途徑

在了解了鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性及在當(dāng)今建筑領(lǐng)域中的作用后，放在我們面前的主要問題就是如何才能提到鋼結(jié)構(gòu)的防火性能。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性較好這一特性，要提升鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，主要出發(fā)點(diǎn)就是要阻隔火災(zāi)環(huán)境中的熱量向鋼材內(nèi)部傳遞，減緩鋼材整體升溫速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件到達(dá)破壞性能臨界溫度的時(shí)間。提高鋼結(jié)構(gòu)的防火性能，采用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑主體時(shí)，要選用適當(dāng)?shù)姆阑鸨Ｗo(hù)方法。結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)，主要有四類方法：

3.1 在鋼構(gòu)件四周澆抹混凝土或砌筑耐火磚

采用混凝土或耐火磚將鋼構(gòu)件（梁、柱）完全封閉起來。其鋼梁、鋼柱的防火保護(hù)就是在鋼構(gòu)件外面纏繞鋼絲（增加粘結(jié)力），然后再澆抹混凝土，形成混凝土外墻以隊(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

3.2 采用輕質(zhì)防火板材作為防火外包層

采用纖維增強(qiáng)水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸鈣板、蛭石板等非燃材料的防火板將鋼構(gòu)件包裹起來。防火板在德國(guó)、日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)建筑防火工程中已大量應(yīng)用。我國(guó)目前在防火板的生產(chǎn)和應(yīng)用上尚處于起步階段。

3.3 噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

將鋼結(jié)構(gòu)防火涂料施涂于鋼結(jié)構(gòu)表面，形成耐火隔熱保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料根據(jù)高溫下涂層變化情況分膨脹型和非膨脹型兩大系列。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)鋼材進(jìn)行防護(hù)阻隔，防止鋼材直接置于火災(zāi)高溫中。

3.4 水冷卻法

在使用水冷卻法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火阻隔時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、供水設(shè)施有專門的技術(shù)要求，其中主要以水噴淋法和疏導(dǎo)法為主，水噴淋法是水冷卻法的一種。該方法是在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置噴淋供水管網(wǎng)系統(tǒng)，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)或手動(dòng)噴水，在構(gòu)件表面形成一層致密、連續(xù)流動(dòng)水膜，從而起到保護(hù)作用。疏導(dǎo)法允許熱流量傳到鋼構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，從而使構(gòu)件溫度在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不會(huì)達(dá)到臨界溫度，以起保護(hù)作用。但在現(xiàn)實(shí)中水冷卻法使用較少。

鋼結(jié)構(gòu)建筑防火保護(hù)已經(jīng)普遍被人們所重視，而鋼結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界限方面不如混凝土結(jié)構(gòu)磚石結(jié)構(gòu)清晰，且世界各國(guó)并沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，出臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)規(guī)范，完善相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也要求在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師要具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、扎實(shí)的理論功底。因此，充分進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火性能的分析，有針對(duì)性的對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)，對(duì)有效提高鋼結(jié)構(gòu)建筑使用安全性能有著重要的意義。

[1]李國(guó)強(qiáng)：鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)2000年第3期.

[2]李國(guó)強(qiáng),蔣首超,林桂祥：鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算與設(shè)計(jì)，國(guó)建筑工業(yè)出版社1996年版.

[3]時(shí)虎：鋼結(jié)構(gòu)防火涂料研究及其應(yīng)用，現(xiàn)代涂料與涂裝2003年第4期.

[4]黃瀅,萬琳：鋼結(jié)構(gòu)防火問題探析，江西科技師范學(xué)院學(xué)報(bào)2003年第5期.

[5]李穎清：鋼結(jié)構(gòu)防火的意義及其防火保護(hù)措施，河南科學(xué)2002年第4期.