鋼框架組合結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)

黃海敏

南京工業(yè)大學(xué)江浦校區(qū) 210000

摘要：鋼框架組合結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，如輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便利等，而受到廣泛的關(guān)注，而防火問(wèn)題一直是阻礙其得到充分利用的原因之一。為此，介紹了鋼框架組合結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)，如采取合理結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)質(zhì)鋼材，外部涂覆防火涂料等措施。

關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；防火設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)分析

引 言

組合結(jié)構(gòu)是指通過(guò)選擇兩種或多種材料，按照最佳的幾何布置，形成一種新的具有預(yù)想功能的結(jié)構(gòu)。組合樓板即組合結(jié)構(gòu)的一種。壓型鋼承板組合板系統(tǒng)是20世紀(jì)30年代末在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的，因?yàn)槠渚哂休p質(zhì)、高強(qiáng)、安裝方便、施工快捷等優(yōu)點(diǎn)，目前這種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于以鋼結(jié)構(gòu)作為框架的各種結(jié)構(gòu)中。但鋼結(jié)構(gòu)具有相對(duì)混凝土和磚石結(jié)構(gòu)防火性能差的缺點(diǎn)，大大制約了組合結(jié)構(gòu)快速?gòu)V泛地發(fā)展。

現(xiàn)在，對(duì)組合結(jié)構(gòu)的防火研究主要集中于以下幾個(gè)方面：對(duì)結(jié)構(gòu)形式本身的改進(jìn)；對(duì)新型防火材料的研究；外裝飾、水冷卻、通風(fēng)設(shè)計(jì)等。

一、鋼結(jié)構(gòu)的特性和抗火極限

鋼結(jié)構(gòu)主要由不燃燒材料鋼材構(gòu)成，鋼材的特性是強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)，但抗火性差。一般低碳鋼在無(wú)保護(hù)層作用時(shí)的抗火極限溫度在 7 0 0 0 C 左右，當(dāng)溫度在 3 0 0 0 C 時(shí)， 鋼材的特性開(kāi)始產(chǎn)生變化， 3 0 0 0C 時(shí)彈性模量 E 值開(kāi)始明顯減 少，5 0 0 0 C 時(shí)彈性模量 E 值則為常 溫時(shí)的 5 0 % 左右，達(dá)到 7 0 0 0 C 時(shí) E 值則只有常溫的 2 0 % 了，彈性模量 的變化速度與屈服強(qiáng)度的變化速度相當(dāng)，隨著彈性模量的變低，屈 服強(qiáng)度也隨之下降，因此，如果說(shuō)鋼材在 5 0 0 0 C 的高溫時(shí)尚有一定 的承載力的話，在 7 0 0 0C 時(shí)在高溫 與外荷載重力的雙重作用下則基 本失去了承載作用。通常火災(zāi)現(xiàn) 場(chǎng)的溫度可達(dá) 9 0 0 ～1 1 0 0 0C 左右。 也就說(shuō)，如 果鋼結(jié)構(gòu)不采取抗火 保護(hù)措施，建筑會(huì)在傾刻間倒坍， 而我們采取保護(hù)措施的目的就是 使結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，滿 足防火 規(guī)范規(guī)定的耐火極限時(shí)間，盡可 能延緩高溫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的傷害，為消防施救爭(zhēng)取時(shí)間。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法

（一 ）基于試驗(yàn)的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法

這種方法以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)進(jìn)行不同類型構(gòu)件（梁和柱）在規(guī)定荷載 分布與標(biāo)準(zhǔn)升溫下的耐火試驗(yàn)，確定在采取不同防火措施（如防火涂料）后構(gòu)件 的耐火時(shí)間。通過(guò)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)可確定各種防火措施（包括同種防火措施 不同防火程度，如不同肪火涂料厚度）相應(yīng)的構(gòu)件耐火時(shí)間。進(jìn)行結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì) 時(shí)，可根據(jù)構(gòu)件的耐火時(shí)間要求，直接選取對(duì)應(yīng)的防火保護(hù)措施。基于試驗(yàn)的構(gòu) 件防火設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單、直觀，應(yīng)用方便，最初各國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)均采用這 種方法。實(shí)際上，我國(guó)現(xiàn)Ⅸ建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》關(guān)于鋼梁和鋼柱防火措施要求，也是基于這種方法。

（二 ）基于計(jì)算的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法

為考慮荷載的分布、大小及構(gòu)件的端部約束狀態(tài)對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響，可按所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況進(jìn)行一系列的構(gòu)件耐火試驗(yàn)，但是費(fèi)用昂貴。為解 決基于試驗(yàn)的構(gòu)件防火設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)防火計(jì)算理論研究引起了 很多研究者的重視，開(kāi)展了大量的研究工作。理論研究以有限元為主，也有采用 經(jīng)典解析分析方法，基本建立了能考慮任意荷載方式和端部約束狀態(tài)影響的鋼 結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法。目前這種方法已被英國(guó)、澳大利亞、歐共體等國(guó)家（組織）的 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用。上海市工程建設(shè)規(guī)范Ⅸ建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》也采用這種方法。

三、鋼結(jié)構(gòu)防火應(yīng)解決的問(wèn)題

（1）結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的整體研究

結(jié)構(gòu)的主要作用是作為整體承受荷載，火災(zāi)下結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件的破壞，并不定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞，特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，一般情況下結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞，將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)仍具有一定繼續(xù)承載的能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)時(shí)，則基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài) 進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)更為合理。

（2）結(jié)構(gòu)防火計(jì)算模型與真實(shí)火災(zāi)差別較大

真實(shí)火災(zāi)中，構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的受力，很難通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M，實(shí)際構(gòu)件受力各不 相同，試驗(yàn)難以概全，而受力的大小對(duì)構(gòu)件耐火時(shí)間的影響較大；其次，構(gòu)件在 結(jié)構(gòu)中的端部約束在試驗(yàn)中難以模擬，而端部約束也是影響構(gòu)件耐火時(shí)間的重 要因素，再次，構(gòu)件受火在結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，麗這一影響在構(gòu)件試驗(yàn)中也 難以準(zhǔn)確反映。因此還需要完善鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度、重力荷載共同作用下的破 壞機(jī)理和承載力計(jì)算模型。只有通過(guò)研究不斷完善的計(jì)算模型，才能確定與我 國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相適應(yīng)的計(jì)算模式。現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以概率可靠度為目標(biāo)，因火災(zāi)的 發(fā)生具有隨機(jī)性，且火災(zāi)發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗火的概 率可靠度設(shè)計(jì)，必須考慮火災(zāi)及空氣升溫的隨機(jī)性。

四、鋼結(jié)構(gòu)抗火保護(hù)方法及措施

依據(jù)《 鋼 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 》 （GBJ17-88）的規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)表面 長(zhǎng)期受輻射熱達(dá) 1 5 0 0 C 以上或在 短期內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng) 采取有效防護(hù)措施。一般不加保 護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限僅為 1 0 ～2 0 分鐘，采取抗火防護(hù)就是 使鋼構(gòu)件達(dá)到規(guī)定的耐火極限要 求，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施， 鋼結(jié) 構(gòu)構(gòu)件可達(dá)到任何要求的防火等 級(jí)。

目前國(guó)內(nèi)較常用的鋼結(jié)構(gòu)抗 火保護(hù)措施有幾種：

（1 ）包封法：主要是用混凝土 將整條鋼柱鋼梁封閉起來(lái)以阻截 或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的高溫向構(gòu)件的 傳遞，使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫 度達(dá)不到其臨界溫度極限。具體 做法可現(xiàn)澆混凝土， 也可用噴涂 法，直接將混凝土噴射在構(gòu)件上。 通常要求在外包層內(nèi)埋設(shè)鋼絲網(wǎng) 或用小截面鋼筋加強(qiáng)， 防止遇高 溫產(chǎn)生收縮爆裂。

（2 ）屏蔽法：即通過(guò)使用各類 防火板材將構(gòu)件包襄起來(lái)，形成 一堵抗火的屏蔽墻。通常這種用 厚板或簿板構(gòu)成防火板材有石膏 板，水泥蛭石板，硅酸鈣板或石 棉板等。使用時(shí)將板材通過(guò)粘結(jié) 劑或其它緊固件固定在鋼構(gòu)件 上，必要時(shí)可再將防火涂料涂在 板材的表面上，若外包采用金屬 板材則需在內(nèi)襯鋪裝隔熱材料。

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作者簡(jiǎn)介：

黃海敏（1994年1月19日）男，漢族，江蘇江陰，本科在讀，土木工程房建方向