鋼結構設計中對建筑耐火性能的思考

張鐵壯

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

1 鋼結構的耐火性能

鋼材在火災高溫中的力學性能變化顯著，高溫對材料的不利影響非常明顯。對于普通鋼材，其材料強度和彈性模量會伴隨溫度的升高（一般超過600℃）急劇降低，超過一定溫度后即失去基本的強度和剛度。對于那些未采取保護措施的鋼構件，當火災發(fā)生到充分發(fā)展階段后不久便會受到嚴重損壞。

1.1 建筑室內火災的發(fā)展

對于一般建筑室內火災而言，通常在開始階段發(fā)生在某個房間的某個部位，由此再蔓延到相鄰房間以及整個樓層，最終蔓延到整棟建筑。在火災不受外界干預的情況下，室內火災的發(fā)展過程大致上可分為三個階段：

1）初期增長階段：本階段也可稱為轟燃前階段，從室內出現(xiàn)明火算起。本階段燃燒物質較少，僅在局部范圍內發(fā)生，溫度也僅表現(xiàn)為局部較高，室內不同區(qū)域溫差較大，平均溫度較低。

2）充分發(fā)展階段：室內的燃燒持續(xù)一定的時間之后，如果有足夠的燃料存在，且保持一定的通風狀態(tài)下，室內溫度便會不斷攀升，火場附近未燃燒的可燃物表面達到熱解溫度后開始分解釋放可燃氣體，一定時間和條件下便會發(fā)生室內溫度的陡增現(xiàn)象，即發(fā)生轟燃，標志著室內火災由初期增長階段轉變?yōu)槌浞职l(fā)展階段。之后，室內所有可燃物表面都將被引燃，室內溫度急劇上升，可達800～1000℃，此階段是室內火災的最危險階段。

3）衰減階段：在火災充分發(fā)展的后期，由于室內可燃物數(shù)量的減少，燃燒速度逐漸降低，強度也隨之減弱，溫度逐步降低。一般當室內平均溫度下降到峰值溫度的80%時，即認為火災進入衰減階段。

1.2 鋼結構火災階段承載力變化

鋼是熱的良導體，對于鋼結構構件來說，火災中主要通過熱傳導、對流和輻射的方式吸收熱量并升溫。一般無防火保護措施的鋼構件在火災進入充分發(fā)展階段后，20min 內便可達到600℃。

正常工作溫度下，建筑用鋼材都具有較高的抗壓及抗拉強度，也具有較大的彈性模量。研究表明隨著溫度的升高，鋼材的強度和彈性模量會急劇下降。從既有的研究結果可以看到，600℃下鋼材的屈服強度和彈性模量會下降到常溫下的40%左右。由于鋼結構的承載力是由其材料的強度和剛度決定的，那么由于火災下鋼材的急劇升溫帶來的強度和剛度的衰減，其承載力便會顯著減低。一定程度后，會由于結構承載力不足發(fā)生破壞。經(jīng)過長期的研究表明，鋼結構在高溫破壞時的溫度即臨界溫度一般不超過600℃。

鋼結構在火災進入充分發(fā)展階段后其承載能力會在較短時間內急劇下降，我們充分了解火災發(fā)展過程，結合火災發(fā)生特點合理選擇防護措施和有效選取相關防火材料的耐火性能參數(shù)都是十分必要的。

2 鋼結構的防火保護措施

鋼材擁有良好的結構性能，使得鋼結構在現(xiàn)代建筑中得到了普遍應用。為了彌補鋼材在防火性能方面的不足，必須對鋼結構進行一定的防火處理，這樣可以有效的提高鋼材的耐火性能，從而滿足建筑構件的燃燒性能及耐火極限的要求。

2.1 截流法保護

截流法的原理就是截斷或者阻止熱量在構件間的傳輸，從而保障構件在規(guī)定的時間內溫度的上升不超過預期規(guī)定。通常，我們在構件的表面設置一定厚度的保護材料，而這種材料具有導熱系數(shù)小、熱容較大的特性，因而在火災發(fā)生后溫度在通過這層材料向構件傳遞過程中得到了有效減緩，對鋼構件有了很好的保護效果。

實際應用中的截流法包括：1）噴涂法：包括防火涂料、無機纖維防火材料等。2）包封法：外包混凝土或砌體、防火板包覆等。3）水噴淋法：對于高大空間的鋼構件采用自動噴水裝置在火災發(fā)生后有效噴水截流高溫。

2.2 疏導法保護

疏導法是源于對溫度的有效疏散而形成的。火災發(fā)生后，我們可以從有效消耗或轉移高溫能量方面做到對鋼構件的有效保護。

目前應用的疏導法包括：鋼構件表層伴冷卻裝置、鋼構件內部充循環(huán)水冷卻等方法。此種方法原理簡單且效果明顯，所采用的裝置基本上都與火災自動報警系統(tǒng)相結合。目前無論從技術理論還是實際應用上都存在一定制約，尚處于不斷改進提升階段，應用前景還是值得期待的。

3 防火涂料

鋼結構涂刷防火涂料是截流法保護的方式之一，在各類防火保護措施中，此種方法被認為是最有效的措施之一。鋼結構設計時，我們應該充分理解防火涂料的分類、選用原則和構造要求。

3.1 分類

根據(jù)防火涂料在高溫下的體積變化情況，一般分為膨脹型和非膨脹型兩類。

薄型和超薄型防火涂料屬于膨脹型，主要成分包括有機樹脂、發(fā)泡劑、阻燃劑以及碳化劑等，遇高溫時形成多孔碳化層。膨脹型防火涂層的厚度一般在7mm 以下，薄型防火涂料的體積膨脹倍數(shù)不小于5，超薄型防火涂料的膨脹倍數(shù)則不小于10。厚涂型防火涂料則屬于非膨脹型，以無機絕熱材料為主，混入一定比例的無機粘結劑構成。厚涂型防火涂料主要依靠自身良好的絕熱性，通常厚度在8～50mm，厚度較大時還應采取一定的結構措施保障涂料的有效貼合。

3.2 選用原則

結合鋼結構自身特點及耐火等級的要求，設計時應該合理的選用防火涂料的種類。注意以下要點：

1）對于室內裸露的鋼結構、輕型屋蓋鋼結構以及對裝飾有要求的鋼結構，當其要求的耐火極限小于1.5h，宜選用膨脹型的薄型或超薄型防火涂料。

2）對于室內隱藏鋼結構、高層鋼結構及多層廠房鋼結構，當其耐火極限在1.5h 以上時，應選用非膨脹型的厚涂型防火涂料。

3）對于露天鋼結構，應選用適合戶外的鋼結構防火涂料，且應保證選用的涂料在工程實例中得到了1a 以上的有效驗證，涂層性能良好。

4）防火涂料的選取還應配合鋼結構防腐蝕、防銹涂料涂層的種類確定，保證復合涂層各自性能的有效發(fā)揮和相容。

3.3 構造要求

膨脹型防火涂料一般涂覆在鋼結構表面，應做好與基層或相應其他涂層的有效連接。

非膨脹型防火涂料的選取如遇以下情況，應在涂層內設置與鋼結構基層連接的鋼絲網(wǎng)片。

1）構件承受沖擊及振動荷載；2）鋼構件表面涂層厚度大于30mm；3）防護涂料的粘結強度不大于0.05MPa；4）鋼構件的腹板高度超過500mm；5）防火涂層長期暴露在室外或受長期侵蝕。

4 結束語

建筑耐火性能設計是鋼結構設計不可缺少的部分，結構設計文件中應明確清晰的描述各部位鋼構件的防火設計要求。作為結構設計人員，應該準確掌握鋼結構耐火性能、保護措施及方法，熟悉各種類型防火涂料的應用條件和施工要求。如何提高工程設計質量，保證工程施工順利進行，需要設計人員對規(guī)范相關規(guī)定做到深入理解和思考，在充分按照標準的設計要求前提下做到更加合理和高效。