钢结构的防火研究.doc

钢结构的防火研究 文 /赵庆凯 2005年4月6日包钢炼铁厂256烧结车间皮带起火，将长度达200m左右的钢结构皮带通廊及配套设施等烧毁，造成停产，这说明包钢在钢结构防火方面存在一定的薄弱环节。为此，笔者进行了钢结构防火方面的一些研究，并撰下文，以期对包钢钢结构防火工作有所促进。1从设计上考虑钢结构的防火1.1火灾对钢结构的危害 钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为600时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。例如，1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600的库房倒塌;1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320的厂房烧塌,1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑(钢结构)整体倒塌。1.2结构耐火极限 长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火(对结构更适合称抗火)问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用;还有避难层下的结构达不到耐火时间要求而破坏，造成的伤亡将更为严重;此外，建筑结构构件(如梁、楼板、楼梯等)在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进人建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间(或耐火极限)的规定。1.3钢结构抗火设计 钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢虽为非燃烧材料，但不耐火，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低，而火灾升温迅速，故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此钢结构抗火设计的一般要求是:如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。1.4传统的钢结构抗火设计方法 传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定。进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可。 实际上，将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大;其次，构件受火在结构中会产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。正是注意到试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法。 实际火灾升温与试验中的标准火灾升温不一致，另外由试验确定的构件耐火时间不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。因此通过计算进行钢结构的抗火设计，其意义是显著的。1.5基于计算的现代钢结构抗火设计方法 基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响，在我国第一部钢结构抗火设计标准中即采纳了这种方法，其计算过程如下: (1)采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。 (2)计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。 (3)采用确定高温下钢铁材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。 (4)进行荷载效应组合。 (5)根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。 (6)当设定的防火覆厚度不合适时(过小或过大)，可调整防火被覆厚度，重复上述(1)一(5)步骤。1.6结构抗火设计方法的发展趋势 结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的损坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。 现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。2提高钢结构的防火能力 到为止人们对钢结构的防火保护主要采取三种措施，即直接包敷保护法、屏蔽保护法和充水冷却保护法。三种措施中直接包敷法由于简便易行、防护性能良好和造价经济，在工程中最为常用。直接包敷法是指在钢结构构件表面或外围直接施用防火材料，如砌筑粘土砖、浇注混凝土、抹灰、喷涂防火涂料和包封防火板材等，将裸露的钢构件包封或覆盖起来，从而达到提高钢结构耐火能力的目的。早期的钢结构防火保护手段多采用粘土砖和凝土做保护层，保护层过厚，结构笨重，既增加了建筑物荷载，又减少了建筑使用面积，近年来基本不再使用。当前钢结构防火保护采用最多的应属防火涂料或防火板材。在我国，80年代中期就研制成功了具有国际先进水平的钢结构防火涂料，并被多数钢结构工程采用，至今仍然占据着钢结构防火保护的主要市场。尽管早在80年代初我国就已北京香格里拉饭店工程中使用了进口防火板材包敷保护钢结构，但相比防火涂料在推广应用，板材包敷保护法一直没有得到更大的发展。最近几年来，一些国家研制成功了新型防火板材并相继推向市场，其耐久、美观、经济的优势使板材包敷保护法获得了新生，使人们开始用全新的目光审视它。我国也已引进并正在自行研制开发这项技术。可以预见，新型防火板材包敷保护钢结构将成为一项先进的钢结构防火保护技术而受到人们的重视。3新型防火板包敷保护法3.1新型防火包敷保护法所具有的优势 目前国内工程上钢结构防火保护措施通常是采用防火涂料，但近年来国外和港澳地区已较广泛地使用新型防火板包敷保护钢结构。由于采用了性能优良的新型无石棉纯硬硅钙石结构的防火板材和合理简捷的施工安装构造，使这项技术在许多方面显示出比钢结构防火涂料明显的优势。 (1)耐火性能好、耐火极限高。新型防火板材经严格检测耐火性能优于防火涂料，耐火极限明显高于同厚度的钢结构防火隔热涂料，更高于膨胀型防火涂料。 (2)性能稳定、持久可靠。耐久性和耐候性一直是钢结构防火涂料未能很好解决的技术难题。影响防火涂料使用寿命和涂层耐久性的因素主要有: 环境因素。包括太阳光(紫外线)、水和相对湿度、温度、氧和臭氧、微生物，以及酸碱盐等化学性腐蚀等，都对防火涂料的长期使用构成威胁。如隔热防火涂料(厚涂型)耐水防潮性差，不易固化，在潮湿环境中不能耐久。而膨胀型涂料含较多有机成分，化学稳定性差，耐水、潮湿和化学腐蚀性能低，耐久性也不理想。新型防火板材系化学性质稳定的无机不燃材料制成，经高温蒸压成型，不会虫蛀，耐腐蚀，抗霉化，不受潮气影响，对外界环境条件具有良好的抵御能力，可同时应用于室内或室外环境，国外已有使用达30年以上实例，至今尚未发现失效现象。 基材因素。用涂料保护钢构件，若钢材基面预处理不当，也会显著影响涂层的粘结力和附着力，进而影响耐久性。实施喷涂前必须对基材作除锈处理，并刷防锈漆，基材上的油污、尘土和杂物也必须清除干净，甚至防锈漆漆面硬而光亮时，还需砂纸磨毛后方可施涂，否则也将影响涂层的耐久。另外涂层对钢材的腐蚀问题也不容忽视。 新型防火板保护钢结构，其材料和构造特点决定了无须对基材做特殊处理，只需在局部做简单处理即可，排除了基材因素影响耐久性的问题。 涂料因素，如果不考虑涂料本身因配方技术不成熟、制造工艺欠合理因素影响耐久性的问题，那么涂料选用、涂料中的颜料和涂料溶剂等间题也会影响涂层耐久性。相对而言，新型防火板材完全由工厂预制，性能完全有保障，而现场安装也不可能改变其各项性能指标，可以保障耐久可靠。 施工维护的因素。防火涂料首先对施工环境条件有较苛刻的要求，如温湿度要求，施工时湿度不能过大，温度不能太低，否则钢材表面会结露，影响涂料的附着力;有机溶剂型涂料施工时还必须严禁明火并保持空气流通。防火涂料施工质量可控性较差，这是其现场加工、湿作业性质和操作技能要求高的特点决定的，若施工质量差就会直接影响涂层的耐久性。防火涂料形成的涂层强度低，对抗机械冲击、碰撞和磨损的能力很差，建筑物遇到剧烈振动、机械碰撞或狂风暴雨袭击，涂层即有可能受损脱落(特别是对室外涂层而言)，若不能对涂层及时进行维护与保修，将会明显降低其可靠性和耐久性。 新型防火板材的施工条件则简单得多，一年四季任何时候均可进行，其干法作业工艺简单、质量稳定。板材包搜重量轻、抗冲击、耐候性强，使用过程中不会粉化或裂缝，施工完成后无须理做专门维护，耐久性和可靠性可以得到有效的保证，这些是防火涂料无法比拟的。 (3)装饰简便，或无须再装饰。防火涂料施工完成后表面大多粗糙，难以做到平整美观，防火隔热涂料(厚涂型)尤其严重。钢结构表面本身曲折凸凹，施涂后更加不规整，除隐蔽构件外均需再做装饰，费工费时。新型防火板材表面光洁、质轻高强、尺寸稳定、易于加工，是集防火隔热与装饰美化于一体的板材，施工安装完成后即可形成相当装饰效果，若不满意，在防火板基材上再进行二次装修也是相当容易的。 (4)干法施工、安装简便、质量可靠。钢结构防火涂料施工属典型的湿作业，现场工作量大、操作条件差、操作技能要求高并且工序繁杂，涂料施工污染环境、危害工人健康，而且需要多遍成活，较长时间干燥养护，施工周期长。新型防火板材施工安装均为于式作业，装配化程度高，简便省时，据测定用防火板包覆同等面积的钢结构所用的工时仅为防火涂料喷涂施工的20 %。板材施工安全洁净，工人只需中等熟练水平即可保证质量，是符合建筑工业化要求的施工方法。 (5)防火涂料在平时，特别是在高温作用下能挥发分解释放出有害气体，如膨胀型涂料中的发泡剂在高温作用下分解产生NH3、C12 , HC1等有害气体(发泡气体)，而涂料溶剂还能挥发出有害、易燃气体。新型防火板为性质稳定的无机不燃材料制作，在正常使用环境和火灾高温条件下均无有害释放物，有利于环境保护和人身健康，符合当今可持续发展需要和保护要求。 (6)与防火涂料相比，考虑施工周期、作业条件、材料耗费和二次装修因素，新型防火板包敷保护法的综合造价降低，具有较好的经济性。 鉴于新型防火板的上述特点，尤其是在钢骨架结构防火保护方面比之防火涂料具有较明显的优势，可以相信这一新的钢结构防火保护方法是越来越多的工程项目采用，成为我国钢结构防火保护技术新的发展方向之一。3.2新型防火板的施工安装构造 防火板包敷钢结构是一种装配化的施工手段，其施工安装构造会对防火保护的效果产生影响。科学合理的安装构造有助于进一步提高钢结构的耐火性能。发达国家在用板材保护钢结构时，板材不紧贴型钢边缘安装，以减少直接通过防火板向工字钢的热量传导，延缓钢构件失去静态平衡稳定性的临界温度到达时间，从而提高构件的耐火极限。4结束语 钢结构是建筑工程的基本结构型式之一。目前钢结构主要用于大跨度屋顶结构、工业厂房承重骨架和支撑、吊车梁、高层建筑结构、高耸建(构)筑物结构以及工业设备装置构架等。钢结构具有强度高、自重轻、结构尺寸小、延性好、抗震性能优良、施工便捷和工业化程度高等优点，因而在建筑工程中被广泛使用。据统计，截止1995年底