從鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)談如何提高鋼結(jié)構(gòu)的 抗火性能

胡翠平

（福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 福州 350119）

0 引言

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大跨度、超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，促使鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展。且隨著隨著房屋密度加大以及燃?xì)狻㈦娖鞯钠毡槭褂茫ㄖ锇l(fā)生火災(zāi)的可能性越來(lái)越大火災(zāi)給人類帶來(lái)的危害是巨大的。鋼材為非燃燒材料，但鋼耐火性能極差，因此，鋼結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞甚至倒塌。2001年“9.11”事件充分證明了這一點(diǎn)。2001年世貿(mào)大廈被撞擊后飛機(jī)攜帶大量的燃油向大廈底部流淌，火勢(shì)迅速向下蔓延，燃燒不久，灼熱的高溫就通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)迅速傳遍整幢大樓，致使大廈承重的鋼結(jié)構(gòu)熔化，撞機(jī)僅57分鐘南樓就徹底崩潰倒塌，而北樓也僅堅(jiān)持了l小時(shí)22分鐘，造成了死亡2797人、損失360億美元的驚世慘案[1]。因此，了解鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)從而提出提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能的方法是非常有意義的。

1 火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

1.1 高溫下鋼材的反應(yīng)

在加熱情況下，普通鋼材的性能隨著溫度升高而變化。鋼材的性能分為物理性能和力學(xué)性能。物理性能主要為膨脹系數(shù)、熱傳遞系數(shù)、比熱、密度等。高溫作用后鋼材的物理性能除了密度，總體上都隨著溫度的升高而變大，而鋼材的熱膨脹對(duì)極限承載力影響不大但使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生變形與附加應(yīng)力。而鋼材的力學(xué)性能隨溫度升高，彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度隨著溫度的升高而下降，塑性變形和蠕變隨溫度的升高而增加。總體上隨著溫度變化為：在180℃～370℃溫度期間內(nèi)，鋼材出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，此時(shí)鋼材的極限強(qiáng)度有所提高而塑性韌性降低，材料相對(duì)其他溫度段比變脆；當(dāng)溫度超過(guò)400℃后，鋼材的強(qiáng)度與彈性模量開(kāi)始急劇下降；在500℃時(shí)，鋼的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度極限大大降低；當(dāng)溫度為600℃時(shí)EC3指出鋼材的名譽(yù)屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度分別為為常溫下的0.47及0.36；650℃以后基本喪失其承載力，造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物部分或全部垮塌毀壞[2]-[3]。

火災(zāi)下，熱空氣主要通過(guò)輻射及對(duì)流向鋼構(gòu)件傳遞熱量，后在構(gòu)件內(nèi)部通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱。同濟(jì)大學(xué)李國(guó)強(qiáng)等在鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)[2]中指出ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下無(wú)保護(hù)層鋼構(gòu)件截面形狀系數(shù)為10的構(gòu)件在火燒,80min時(shí)空氣溫度為988℃時(shí)構(gòu)件溫度可達(dá)到603℃，隨著截面形狀系數(shù)的增大，則構(gòu)件達(dá)到600℃所需時(shí)間越小。因此基于鋼材的力學(xué)性能則表明火災(zāi)下80min后鋼構(gòu)件大部分失去承載力。

基于鋼材熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而升高，且鋼構(gòu)件截面形狀系數(shù)小于10時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部截面溫度則處于非均勻分布，因此高溫下，可使結(jié)夠內(nèi)部以及整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，從而使構(gòu)件內(nèi)部及整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。例如在約束構(gòu)件或在剛性框架結(jié)構(gòu)中，由于橫梁伸長(zhǎng)時(shí)受到梁端框架柱的約束，產(chǎn)生隨溫度升高而增大的約束力，框架柱有被梁從原位向外推開(kāi)的趨勢(shì)，從而造成結(jié)構(gòu)的屈曲，甚至引起垮塌，使整個(gè)結(jié)構(gòu)受到破壞。

1.2 火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)反應(yīng)

火災(zāi)下，整體結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生鋼梁的懸鏈線效應(yīng)和樓板的薄膜效應(yīng)。懸鏈線效應(yīng)[4]：指在火災(zāi)下，若結(jié)構(gòu)能夠保持整體的穩(wěn)定，鋼梁會(huì)產(chǎn)生大變形，梁將從受彎轉(zhuǎn)變?yōu)槭軕宜髯饔茫瑥亩沽旱玫胶艽蟮某休d力。此效應(yīng)可以抵消鋼梁由于溫度膨脹產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，還可以提高鋼梁抵抗橫向荷載的能力。薄膜效應(yīng)[6]：指在火災(zāi)下，部分鋼梁和壓型鋼鋼板喪失承載力時(shí)，樓板雖會(huì)產(chǎn)生很大變形，但依靠板內(nèi)鋼筋網(wǎng)形成的薄膜作用還可繼續(xù)承載，并不會(huì)發(fā)生樓板坍塌現(xiàn)象。這是由于樓板通過(guò)產(chǎn)生大撓度使其從原來(lái)受彎承載轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾休d，從而提高了抗火承載力。

2 提高鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的措施

基于鋼構(gòu)件的材料在高溫下的性能，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能有兩種，即改變鋼材在高溫下的性能或進(jìn)行對(duì)構(gòu)件采取防火保護(hù)措施。

防火保護(hù)措施方面[1]，其基本原理就是使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間溫度升高不超過(guò)其臨界溫度。當(dāng)前防火保護(hù)方法主要可分為兩大類：截流法和疏導(dǎo)法。截流法是通過(guò)阻止熱量向構(gòu)件傳輸，主要包括噴涂法、屏蔽法和包封法等方法；而疏導(dǎo)法允許熱量傳到構(gòu)件，再把熱量導(dǎo)走來(lái)達(dá)到目的，目前只有充水冷卻保護(hù)這一種方法。具體為：

1）噴涂法，指直接在構(gòu)件表面噴防火涂料、防火噴射纖維等隔熱材料。該方法有施工方便、裝飾性好、成本低、無(wú)環(huán)境污染、后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，目前是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的最佳選材。

2）屏蔽法，則把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的堵體或吊頂內(nèi)。

3）包封法，在鋼結(jié)構(gòu)表面用現(xiàn)澆混凝土、防火板、耐火磚、礦物纖維、砂漿或灰膠泥等做耐火保護(hù)層把鋼構(gòu)件包裹起來(lái)，從而起到防火作用。

4）充水冷卻法指將鋼構(gòu)件制成空心體，在空心鋼構(gòu)件內(nèi)填充經(jīng)處理后的水，一旦發(fā)生火災(zāi)，讓水循環(huán)帶走熱量，保護(hù)鋼構(gòu)件，達(dá)到提高耐火極限目的。因此方法要考慮水對(duì)鋼材的腐蝕、水的靜壓及水的循環(huán)控制系統(tǒng)及施工方面等問(wèn)題，故不太適合采用。

以上方法，理論上都可以取得防火的目的，可以延長(zhǎng)構(gòu)件在火災(zāi)下保持其承載力的時(shí)間，但在過(guò)程中需要考慮采取防護(hù)措施后結(jié)構(gòu)增加的重量及占用的空間，防護(hù)材料的可靠性，施工難易程度和經(jīng)濟(jì)性等因素的影響。

改變鋼材在高溫下的性能反面，當(dāng)前國(guó)外有對(duì)耐火鋼及不銹鋼進(jìn)行研究。耐火鋼[2]高溫下的物理性能與普通結(jié)構(gòu)鋼相似，力學(xué)性能方面有較大的改變。耐火鋼做成的構(gòu)件高溫下屈服強(qiáng)度高出普通結(jié)構(gòu)鋼甚多。600℃時(shí)，構(gòu)件用耐火鋼的屈服強(qiáng)度高于2/3室溫強(qiáng)度，彈性模量任保持室內(nèi)時(shí)的75%以上。但耐火鋼在使用上整體來(lái)說(shuō)是不經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于整體結(jié)構(gòu)，為了提高整體鋼結(jié)構(gòu)的抗火性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)承重構(gòu)件的材料的防火保護(hù)措施；但因?yàn)樵跇?gòu)件內(nèi)部是通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，且鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大，建議在承重構(gòu)件與非承重構(gòu)件的連接件上使用耐火鋼來(lái)鏈接，從而可以減小非承重構(gòu)件的防火保護(hù)的費(fèi)用。

3 結(jié)論

（1）鋼材在高溫下的物理性能隨著溫度的升高大致呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低；（2）火災(zāi)下，構(gòu)件內(nèi)部以及整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不均勻的熱膨脹，從而使構(gòu)件內(nèi)部及整個(gè)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力；（3）火災(zāi)下，整體結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生鋼梁的懸鏈線效應(yīng)和樓板的薄膜效應(yīng)；（4）當(dāng)前國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火方面的研究主要集中在延遲鋼構(gòu)件材料達(dá)到失去承載力溫度，而做出相應(yīng)的防火措施；（5）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體構(gòu)件的抗火設(shè)計(jì)方面的研究，當(dāng)前國(guó)內(nèi)比較缺乏文獻(xiàn)。