小議鋼結構建筑構件的防火措施

彭偉宣

（安徽水利開發股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

隨著我國經濟快速的發展及建筑技術的日新月異，鋼結構形式以其重量輕、強度高、韌性好、承載力大、施工簡便、施工周期短、布局靈活、可回收利用等優點廣泛應用于超高層建筑、體育館和大型廠房等工業與民用建筑結構中；但由于鋼結構的耐銹蝕性和耐火性較差，存在不耐火的致命弱點，一旦發生火災時極易發生倒塌，造成重大的人員傷亡和財產損失，其防火問題備受人們的關注。本文從鋼結構的物理特征和力學特征的兩個角度分析其特點，并從主動和被動兩個方面提出防火措施。

2 鋼結構的特征

2.1 物理特征

2.1.1 熱膨脹系數

當溫度升高時，鋼結構要發生膨脹，對截面溫度均勻分布的靜定結構而言，熱膨脹只對變形有影響，不會產生附加內力。但建筑構件的膨脹收到約束時，會產生加內力。鋼的熱膨脹系數隨著溫度的升高而變化，但幅度不大。

2.1.2 結構鋼的比熱容

比熱容是指其單位體積內所儲存的熱量，當其所吸收的熱量一定時，比熱容越高，材料的溫度上升的越小。組成鋼材的鐵、碳、錳、硅等其他各種合金元素的比熱容各不相同。一般情況下，他們都是隨著溫度的上升逐漸增大，但相差幅度較小。

2.1.3 結構鋼的導熱系數

鋼材的導熱系數是指單位時間內單位長度每上升一度所需要的熱量，純鐵的導熱系數比較大，鋼材隨著碳量和合金量的增大，導熱系數逐漸減少。合金含量較多的鋼材，導熱系數隨著溫度上升緩慢增加，碳鋼和低合金鋼的熱傳導系數隨著溫度上升單調減少，變化率逐漸變小。

2.2 結構鋼的力學性能

2.2.1 泊松比

結構鋼的泊松比受溫度的影響較小，普遍認為高溫下結構鋼的泊松比可取與常溫下相同。

2.2.2 應力-應變關系

研究高溫下鋼材的應力-應變曲線是進行其力學性能分析的最重要的內容。高溫下鋼結構的總應變包括三個部分：應力變化的瞬間應變、蠕變及熱膨脹引起的應變。總應變與應力過程和升溫的速度相關，不同升溫速度下應變的增長是有區別的。鋼材力學性能的一個重要特點就是高溫蠕變，但蠕變的情況比較復雜，當建筑的升溫速度在5-50℃/分鐘的范圍內，且建筑溫度不超過600℃時，蠕變比較小。

2.2.3 高溫特性

無保護層的鋼結構在高溫條件下存在強度降低和蠕變現象，對建筑用鋼而言，260℃以前其強度不降低；260-280℃開始下降，達到400℃時屈服現象消失、強度明顯降低；達到450-500℃時，鋼材內部再結晶使強度急速下降；至550℃時，其強度將損失40%；至700℃時基本失去承載力。

3.鋼結構建筑的防火措施

從建筑防火理論看，一致認為有主動防火和被動防火兩大體系；本文涉及的鋼結構建筑構件的防火措施也從被動與主動兩個角度進行分析。

3.1 鋼結構建筑的被動防火措施

所謂被動耐火保護是指在火災中不依靠降低火災的燃燒熱釋放率或抑制火災增長來實現結構不受高溫或火焰嚴重影響的防火保護方法。

（1）澆筑混凝土或砌筑耐火磚

在鋼結構構件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚，這種方法比較可靠，但較適合于鑰柱的保護；對于梁等其他構件，施工比較麻煩且自重大；對于初期升溫很快的火災也不太適用。這種保護方法在高溫作用下易發生崩裂現象。

（2）包封法

采用硅酸鈣板、蠔石板、珍珠巖板、石棉水泥板、石膏板等耐火輕質板材包覆。石膏板的最高使用溫度600℃，纖維增強普通硅酸鈣板的使用溫度為650℃～950℃。但蛙石板和珍珠巖板容重小，但使用最高溫度只有650℃～850℃，很難達到鋼結構耐火保護的目的。

（3）噴涂鋼結構防火涂料

鋼結構防火涂料是指涂裝在鋼構件表面，增大絕熱性能以推遲結構失穩或力學強度降低的時間的涂料。在受到高溫或火焰作用時，足夠厚的防火涂料層對鋼材起到屏蔽作用，使構件不直接暴露在火災中，防火涂料吸熱分解放出水蒸氣或二氧化碳氣體，能消耗熱能，對降低火焰溫度和燃燒速度具有一定作用。室內鋼結構上的防火涂料也存在起皮脫落、龜裂等情況；在施工過程中還存在涂層厚度達不到要求、涂料選型不當、以次充好等問題。這些因素對鋼結構耐火保護帶來的隱患，是當前選用防火涂料噴涂保護方法必須慎重考慮和控制的。

（4）在鋼結構構件內部充水保護法

這種方式依靠火災時向鋼結構構件內部充入循環水進行降溫冷卻，達到保護鋼結構的目的。它需要一套完善的火災報警聯動系統和足夠的水源與供水系統，效果良好，但成本較高、火災時增加結構自重、且結構內部需作耐水腐蝕處理。這種方法國內外均試驗不多。總之，在選用鋼結構構件耐火保護材料時，除需要考慮材料的耐火性能外，還要考慮材料的耐久性、耐候性、耐腐蝕性、抗反復荷載性能以及高溫穩定性等，使其既能滿足功能要求，又具有一定的經濟效果。

3.2 鋼結構建筑的主動防火措施

鋼結構構件的主動防火保護是一種采用建筑內的主動消防措施，在火災發生前進行設計，從而期望在火災發生后從根本上消除高溫和火焰對鋼結構構件的威脅，以實現保護鋼結構的方法。與被動耐火保護相比，它是一種更積極的保護方式。

（1）正確界定建筑的耐火等級

各種建筑由于其使用功能和重要性不同，火災危險性存在差異，根據《建筑設計防火規范》和《高層民用建筑設計防火規范》確定建筑物的火災危險性，再根據火災危險性，確定建筑的耐火等級。如果在設計時沒有正確核定耐火等級，確定的耐火等級過高或過低，都會造成設計失誤，過高造成浪費，過低則造成不安全。

（2）自動滅火系統

在建筑物內設置自動滅火設施，能有效地抑制火災的蔓延擴大或撲滅初期火；可以降低室內溫度，使建筑結構得到保護，并為人員疏散創造良好的條件與環境；自動噴水滅火系統是當今世界上公認的有效自救滅火設施，適用于撲救大部分工業與民用建筑物內的初火期；自動噴水滅火系統的動作溫度從57-343℃不等，依據設置場所的環境條件而定。對于常見的工業與民用建筑，常采用68℃。

（3）鋼結構水噴淋法防火

水噴淋法是在結構的上部設置水噴淋管網和噴頭。當發生火災時，水噴頭受熱后自動打開并向構件噴水，使其表面形成連續的流動水膜，可帶走大量的熱量,使得鋼結構構件的溫度不至于過高，由此提高結構的耐火極限。

（4）進行有效的防火分區

在鋼結構建筑物內部進行有效的防火分區，可以防止火勢向其他區域蔓延、擴散。防火分區在普通民用建筑中較易實現，如在門、廳、樓梯等處采取一些技術措施。如用防火墻、防火門、防火卷簾加水幕。

（5）充分考慮人員疏散問題

由于鋼結構建筑自身的弱點，在合理防護的基礎上，設計時還要充分考慮人員疏散的因素，將人員密度指標和鋼結構建筑的特點綜合起來考慮，加強對安全疏散路線、疏散距離、疏散寬度的設計要求，保證人員疏散時間小于建筑構件的耐火極限，確保火災時人員能安全逃生，以最大限度地減少人員傷亡和財產損失。

4 總結

防火設計在鋼結構建筑中是非常重要的，一旦發生火災，帶來的后果是極其嚴重的。因此，在設計鋼結構構件前，要根據建筑物的實際情況，準確地使用規范，采用主動防火措施和被動防火措施，將火災造成的損失和傷害減小到最低程度。

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