淺談鋼結構防火保護

摘要：介紹鋼結構防火保護措施中的阻熱法和水冷法這2種被動防火措施，分析比較阻熱法中噴涂法和包封法這2種防火保護措施的優缺點。

關鍵詞：鋼結構防火保護； 防火保護措施； 優缺點比較

中國分類號：TU352.5A

［定稿日期］2022-05-12

［作者簡介］曾東全（1982—），男，本科，工程師，從事建筑工程管理工作。

1 鋼結構的特點

因為鋼材的強度高、韌性好，所以在相同的條件和荷載下，采用鋼結構與采用如混凝土等其他結構相比，采用鋼結構的建筑的自重明顯要低于采取其他結構的自重，而且鋼結構的抗震性和抗沖擊性也較好，也可滿足對空間和造型美感的需求，同時鋼結構加工制造的工廠化程度高，現場安裝可以準確快速地裝配，施工周期短，因此在國內外鋼結構廣泛應用在工業及民用建筑上，尤其適用于大跨度結構。

鋼結構有很多優點，但缺點是耐火性能非常差［1］。鋼材原材料本身雖為A級不燃燒材料，但溫度對鋼材的性能影響非常大，未采取防火保護措施的鋼結構當溫度達到300 ℃左右時其強度將下降1/3，當溫度達到450 ℃左右時其強度將下降1/2，當溫度達到550 ℃左右時其強度將下降2/3，當溫度超過600 ℃時結構將全部喪失承載能力，而在火災場所的溫度一般均會超過800 ℃，如果鋼結構未施加防火保護措施，一般將在15～20 min就會失去全部承載力以致最終坍塌毀壞。因此為使人們的生命安全和財產安全得到保障，必須對建筑中的鋼結構采取切實有效的防火保護措施［3］。

2 鋼結構防火保護

鋼結構的防火保護主要分為主動性防火和被動性防火兩大類。主動性防火是指采用如自動滅火、煙氣控制、火災探測報警等直接技術措施來預防限制火災發生發展。被動性防火指利用設置的耐火防火材料、噴淋系統、循環水等來延緩結構升溫到臨界溫度的時間。下面主要介紹鋼結構防火保護措施中的被動性防火保護措施。

鋼結構的被動防火保護措施按照防火原理可以分為阻熱法和水冷卻法，其目的都是在火場溫度作用下確保鋼構件在規定的耐火時間內強度不下降到影響結構安全的程度。

阻止火場熱量向構件傳輸的防火保護方法稱為阻熱法［2］，噴涂法和包封法是阻熱法的兩大分類。水冷法是指把火場傳遞到鋼構件上的熱量用水導走，淋水冷卻法和充水冷卻法是水冷卻法的兩大分類。

2.1 阻熱法

2.1.1 噴涂法

在鋼材表面噴涂防火涂料形成隔熱耐火層的方法被稱為噴涂法。噴涂法不受結構形狀限制、施工較為方便、重量較輕、經濟適用、耐火時間也較長，在實際中得到廣泛應用。

鋼結構防火涂料從涂層厚度來分可分為超薄型、薄型、厚型；從防火原理來分可分為膨脹型和非膨脹型。

2.1.1.1 鋼結構厚型防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般在8～60 mm范圍，耐火極限一般可達到3 h。其原理是依靠此類防火涂料材料本身的吸熱性、低導熱性、不燃性來延緩結構在火災中的升溫速度，從而保護結構安全，為滅火和救援贏得寶貴時間。厚型防火涂料在火場中受熱后不會膨脹發泡，因此又被稱為非膨脹型防火涂料。噴涂和涂抹是這類鋼結構防火涂料的2種施工方法，因涂料較厚，施工中對于外觀裝飾的處理較難，外觀效果較差。一般使用在耐火極限超過2 h的鋼構件上。

2.1.1.2 鋼結構薄型防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般在3～8 mm的范圍，其原理是薄型防火涂料在火場中受熱后會膨脹發泡形成隔熱層，依靠形成的隔熱層來使鋼結構在火災的升溫速度得到延緩，從而保護結構安全，為滅火和救援贏得寶貴時間。此類涂料在火場中受熱后會膨脹發泡形成隔熱層，因此又稱為膨脹型防火涂料。此類涂料一般使用在耐火極限小于2 h的鋼構件上，一般采取噴涂法進行施工，完成后的外觀裝飾效果性比厚型鋼結構防護涂料好。

2.1.1.3 超薄型鋼結構防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般小于3 mm，其防火機理與薄型防火涂料相同，因此也被稱為膨脹型防火涂料。一般采取噴涂法施工，此類涂料一般應用在建筑鋼結構鋼梁、樓板、屋面承重構件等對耐火極限的要求不超過2 h的鋼構件上。與薄型、厚型防火涂料相比，此類涂料外觀裝飾性更好，既可滿足對結構防火的要求，又可滿足對裝飾裝修外觀的需求，如果能夠進一步提高其材料本身的耐火性能則此類涂料將具有更好的發展潛力。

2.1.2 包封法

空心包封和實心包封是包封法的兩大分類。

（1）空心包封法。采用纖維增強水泥板、纖維增強普通硅酸鈣板、紙面石膏板等輕質防火板以及耐火磚和ALC板等，沿外圍邊界對鋼構件進行包裹從而達到防火保護目的的方法被稱為空心包封法。通過在鋼構件周邊砌筑耐火磚來對鋼結構進行防火保護是大型重工業鋼結構廠房普遍采用的防火方法，此方法耐沖擊、強度高，但施工較困難、占用空間也大。對于同時有防火和裝飾要求的居住和辦公建筑等鋼結構，可采用模制定型、專用的裝飾性耐火板材如ALC板、纖維增強水泥板、纖維增強普通硅酸鈣板、紙面石膏板等外包防火構造，此方法具有外觀裝飾性好、損耗較小、成本較低、耐老化等優點，具有較好的推廣發展前景。

（2）實心包封法。在鋼構件上澆筑混凝土將其包裹封閉起來，從而達到防火保護目的的方法被稱為實心包封法。此方法的優點是作為防火原材料的混凝土在耐火、耐腐蝕、強度等方面的性能均較好，缺點是施工難度較大、特別是在異形構造的鋼構件上施工非常困難，一般多應用于鋼柱上。

2.2 水冷卻法

淋水冷卻和充水冷卻是水冷卻法的兩大分類。

（1）淋水冷卻法。當發生火災時設置于結構上部的水噴淋系統啟動，將系統內的水噴灑于結構表面形成水膜，水膜在溫度的作用下蒸發并帶走火場熱量，既而延緩結構升溫的速度，從而在防火設計規定的耐火時間內對結構起到防火保護作用。

（2）充水冷卻法。將空心鋼柱等封閉的空心鋼構件連通并充水形成循環水系統［3］，通過循環水在鋼結構內部吸收火災時產生的熱量，既而延緩結構升溫的速度，從而在防火設計規定的耐火時間內對結構起到了防火保護作用。此方法使用的循環水可由管網、水箱或消防車供給，形成的蒸汽由排氣口排出。從防火原理來說此方法的防火作用是非常有效的，但此方法對鋼構件的構造和密封性要求高，循環水中需要添加防凍劑和防腐劑以防止結冰和銹蝕，提高了成本，并且需要專業的設計，因此在我國還未采用過此方法。

3 鋼結構被動防火保護措施比較

阻熱法是利用耐火材料本身的吸熱和低導熱性來減緩火場熱量向鋼結構傳導的速度，實用性和經濟性都較好，現階段此類方法在鋼結構的防火保護中應用較多。水冷卻法是通過水來導走發生火災時產生的熱量，此方法需專業設計，成本也較高，其中淋水冷卻法常常作為阻熱法的補充應用于結構的防火保護中，而充水冷卻法因對鋼構件有構造、密封性等有特殊的要求，成本也較高，因此在國內鋼結構的防火保護中尚未得到應用。從耐火性、耐久性、施工性、環保性、經濟性、適用性來比較阻熱法中的噴涂法和包封法優缺點。

（1）耐火性。因包封法所使用的材料如耐火板、耐火磚、混凝土等的耐火性比噴涂法所使用的防火涂料要好，在使用的防火保護材料厚度相同的情況下，使用包封法進行防火保護的鋼結構的耐火極限明顯高于使用噴涂法進行防火保護的鋼結構。因此鋼結構采用包封法時結構的耐火性能要優于采用噴涂法時結構的耐火性能。

（2）耐久性。噴涂法所使用的防火涂料均以有機組分為主，而含有機組分的材料在任何環境下都會產生降解老化等問題，其耐久性能較差，而包封法使用的耐火板、耐火磚、混凝土等材料則不存在這些問題。因此包封法的耐久性能要優于噴涂法。

（3）施工性。噴涂法的施工簡便，速度快，施工時間短，但對基層的處理、涂層厚度等控制較難，質量不容易達到保證；包封法施工工藝流程較多、施工速度較慢、施工周期較長，施工難度較大，尤其是斜撐、鋼梁等的施工較為復雜，但此方法施工質量容易控制，質量能較好的得到保證。因此從施工上比較，噴涂法和包封法各有優缺點。

（4）環保性。在施工時噴涂法采用的防火涂料原材料本身會對環境造成污染，而且在火場的高溫作用下會產生有毒有害氣體。而包封法所采用的耐火板材、混凝土等原材料本身不管是在施工過程中、正常使用環境下以及發生火災時的高溫環境下都不會產生有毒物，在火災中有利于人員的撤離和救援。因此包封法的環保性要優于噴涂法。

（5）經濟性。噴涂法施工簡便，施工時間短，施工中發生的人工費用、機械費用均較低，但防火涂料的原材料價格較高，并且以有機組分為主的防火涂料其涂層隨著時間推移會發生降解老化和粉化脫落［1］，后期維護費用也較高。包封法雖然施工工藝較為復雜，施工工期較長，施工的人工、機械費用較高，但其使用的材料價格較為便宜，且幾乎不存在維修費。綜合來講包封法的經濟性要優于噴涂法。

（6）適用性。噴涂法不受鋼構件構造外形的限制［1］，因此廣泛應用于各大中小型工業民用鋼結構，尤其適用于異形空間結構。而包封法施工工藝較為復雜，而且受限于鋼構件構造外形，一般用于大型的工業鋼結構建筑以及同時對防火保護和裝飾均有要求的辦公和居住鋼結構建筑，并且一般應用于鋼柱上。因此噴涂法的適用性要優于包封法。

4 總結

鋼結構被動防火保護措施的采用要從耐火性、耐久性、施工性、經濟性、環保性、適用性等多方面綜合考慮，現采用最多的是阻熱法中的噴涂法和包封法，噴涂法的優點主要在于施工簡便、施工工期短、不受限于鋼構件構造外形。包封法的優點主要在于耐火性能和耐久性能均較好、成本低、對環境污染小；此2種方法各有優勢和不足之處，運用中可根據具體情況來取長補短結合使用，通過設置切實有效的鋼結構防火保護措施來保障人們的生命和財產安全。

參考文獻

［1］ 李煥群，李馳原 . 鋼結構防火措施的對比研究［J］. 工業建筑，2005（35）：22-23.

［2］ 李倩， 李彥森. 鋼結構防火措施的對比分析［J］. 消防技術與產品信息，2005（8）：15-16.

［3］ 倪允廣.淺談鋼結構防火措施［J］. 科技信息，2012（5）：48-50.