鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的耐火性能

鋼材在火災(zāi)高溫中的力學(xué)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(qiáng)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(qiáng)度和剛度。對于那些未采取保護(hù)措施的鋼構(gòu)件，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生到充分發(fā)展階段后不久便會受到嚴(yán)重?fù)p壞。

1.1 建筑室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展

對于一般建筑室內(nèi)火災(zāi)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(zāi)不受外界干預(yù)的情況下，室內(nèi)火災(zāi)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(nèi)出現(xiàn)明火算起。本階段燃燒物質(zhì)較少，僅在局部范圍內(nèi)發(fā)生，溫度也僅表現(xiàn)為局部較高，室內(nèi)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(nèi)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(fēng)狀態(tài)下，室內(nèi)溫度便會不斷攀升，火場附近未燃燒的可燃物表面達(dá)到熱解溫度后開始分解釋放可燃?xì)怏w，一定時間和條件下便會發(fā)生室內(nèi)溫度的陡增現(xiàn)象，即發(fā)生轟燃，標(biāo)志著室內(nèi)火災(zāi)由初期增長階段轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞职l(fā)展階段。之后，室內(nèi)所有可燃物表面都將被引燃，室內(nèi)溫度急劇上升，可達(dá)800～1000℃，此階段是室內(nèi)火災(zāi)的最危險階段。

3）衰減階段：在火災(zāi)充分發(fā)展的后期，由于室內(nèi)可燃物數(shù)量的減少，燃燒速度逐漸降低，強(qiáng)度也隨之減弱，溫度逐步降低。一般當(dāng)室內(nèi)平均溫度下降到峰值溫度的80%時，即認(rèn)為火災(zāi)進(jìn)入衰減階段。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)階段承載力變化

鋼是熱的良導(dǎo)體，對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件來說，火災(zāi)中主要通過熱傳導(dǎo)、對流和輻射的方式吸收熱量并升溫。一般無防火保護(hù)措施的鋼構(gòu)件在火災(zāi)進(jìn)入充分發(fā)展階段后，20min 內(nèi)便可達(dá)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(qiáng)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(qiáng)度和彈性模量會急劇下降。從既有的研究結(jié)果可以看到，600℃下鋼材的屈服強(qiáng)度和彈性模量會下降到常溫下的40%左右。由于鋼結(jié)構(gòu)的承載力是由其材料的強(qiáng)度和剛度決定的，那么由于火災(zāi)下鋼材的急劇升溫帶來的強(qiáng)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(jié)構(gòu)承載力不足發(fā)生破壞。經(jīng)過長期的研究表明，鋼結(jié)構(gòu)在高溫破壞時的溫度即臨界溫度一般不超過600℃。

鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)進(jìn)入充分發(fā)展階段后其承載能力會在較短時間內(nèi)急劇下降，我們充分了解火災(zāi)發(fā)展過程，結(jié)合火災(zāi)發(fā)生特點合理選擇防護(hù)措施和有效選取相關(guān)防火材料的耐火性能參數(shù)都是十分必要的。

2 鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施

鋼材擁有良好的結(jié)構(gòu)性能，使得鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中得到了普遍應(yīng)用。為了彌補(bǔ)鋼材在防火性能方面的不足，必須對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)件的燃燒性能及耐火極限的要求。

2.1 截流法保護(hù)

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

實際應(yīng)用中的截流法包括：1）噴涂法：包括防火涂料、無機(jī)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(gòu)件采用自動噴水裝置在火災(zāi)發(fā)生后有效噴水截流高溫。

2.2 疏導(dǎo)法保護(hù)

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

目前應(yīng)用的疏導(dǎo)法包括：鋼構(gòu)件表層伴冷卻裝置、鋼構(gòu)件內(nèi)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(zāi)自動報警系統(tǒng)相結(jié)合。目前無論從技術(shù)理論還是實際應(yīng)用上都存在一定制約，尚處于不斷改進(jìn)提升階段，應(yīng)用前景還是值得期待的。

3 防火涂料

鋼結(jié)構(gòu)涂刷防火涂料是截流法保護(hù)的方式之一，在各類防火保護(hù)措施中，此種方法被認(rèn)為是最有效的措施之一。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們應(yīng)該充分理解防火涂料的分類、選用原則和構(gòu)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(jī)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(jī)絕熱材料為主，混入一定比例的無機(jī)粘結(jié)劑構(gòu)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(yīng)采取一定的結(jié)構(gòu)措施保障涂料的有效貼合。

3.2 選用原則

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)自身特點及耐火等級的要求，設(shè)計時應(yīng)該合理的選用防火涂料的種類。注意以下要點：

1）對于室內(nèi)裸露的鋼結(jié)構(gòu)、輕型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)以及對裝飾有要求的鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(nèi)隱藏鋼結(jié)構(gòu)、高層鋼結(jié)構(gòu)及多層廠房鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)其耐火極限在1.5h 以上時，應(yīng)選用非膨脹型的厚涂型防火涂料。

3）對于露天鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用適合戶外的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，且應(yīng)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(yīng)配合鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕、防銹涂料涂層的種類確定，保證復(fù)合涂層各自性能的有效發(fā)揮和相容。

3.3 構(gòu)造要求

膨脹型防火涂料一般涂覆在鋼結(jié)構(gòu)表面，應(yīng)做好與基層或相應(yīng)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(yīng)在涂層內(nèi)設(shè)置與鋼結(jié)構(gòu)基層連接的鋼絲網(wǎng)片。

1）構(gòu)件承受沖擊及振動荷載；2）鋼構(gòu)件表面涂層厚度大于30mm；3）防護(hù)涂料的粘結(jié)強(qiáng)度不大于0.05MPa；4）鋼構(gòu)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(jié)束語

建筑耐火性能設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計不可缺少的部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計文件中應(yīng)明確清晰的描述各部位鋼構(gòu)件的防火設(shè)計要求。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)該準(zhǔn)確掌握鋼結(jié)構(gòu)耐火性能、保護(hù)措施及方法，熟悉各種類型防火涂料的應(yīng)用條件和施工要求。如何提高工程設(shè)計質(zhì)量，保證工程施工順利進(jìn)行，需要設(shè)計人員對規(guī)范相關(guān)規(guī)定做到深入理解和思考，在充分按照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求前提下做到更加合理和高效。