结构用钢高温力学性能分析及防火技术措施

结构用钢高温力学性能分析及防火结构用钢高温力学性能分析及防火 技术措施技术措施 1 问题的提出问题的提出 随着工业技术的进步和人民生活水平的提高 建筑中对大 跨度空间结构及超高层钢结构的需求不断增加 而钢材是能够 满足上述结构要求的主要轻质高强材料之一 1 目前 我国建 筑造型的多样化 多功能化趋势 使得钢结构有了更大的发展 空间 由于钢结构构件截面宽展 瘦长 钢材的导热系数大 约 为混凝土的 40 倍 以及钢材的力学性能对温度的敏感性等原 因 火灾对钢结构的威胁远大于钢筋混凝土结构 一旦发生火 灾 钢结构的承载能力降低 变形增大 在较短的时间 10 20 min 内就能达到极限状态以至发生破坏 因此 相对于钢筋混 凝土结构而言 钢结构的防火是一个不可回避的安全问题 2 结构用钢高温力学性能分析结构用钢高温力学性能分析 以在实际工程中最常用的钢材 q235 钢为例 其屈服强度 和弹性模量与常温下对应值之比随火灾温度变化的曲线 在火灾条件下 q235 钢的力学性能与常温下相比 有明显 不同 1 屈服强度随火灾温度的升高而降低 在 200 c 时 屈服 强度为常温下的 82 3 在 400 c 时 屈服强度为常温下的 49 8 在 600 时 屈服强度只有常温下的 20 4 2 弹性模量随火灾温度的升高而降低 在 200 c 时 弹性 模量为常温下的 95 9 在 400 时 弹性模量为常温下的 83 1 在 600 c 时 弹性模量只有常温下的 17 1 由此可见 钢材虽为非燃烧材料 但不耐火 在火灾高温 条件下 结构钢的强度和刚度都将迅速下降 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 结构很容易发 生破坏 例如 2004 年 10 月 河南省某市一家电量贩发生火 灾 钢结构屋顶被烧整体倒塌 造成 2 人被埋压致死 3 钢结构防火技术措施钢结构防火技术措施 3 1 设置防火屏障 在钢构件的迎火面设置防火屏障 将钢构件与火焰隔开 如图 2 所示 例如 在钢梁下面安装防火平顶 在钢柱外侧设 置一定宽度的防火板等 采用这种方法 应特别注意接缝 孑 l 洞处的密封性 防止窜火 3 2 砌筑耐火砖或浇筑混凝土 采用砌筑耐火砖或浇筑混凝土完全封闭钢构件 如图 3 所 示 这种方法的优点是强度高 耐冲击 缺点是占用的空间较 大 例如 用 c20 混凝土保护钢柱 其厚度为 5 10 cm 才能达 到 1 5 3 h 的耐火极限 另外 这种方法施工也较麻烦 特 别是在钢梁 斜撑上 施工十分困难 国内石化工业厂房过去 大多采用砌砖方 3 3 外包耐火轻质板材 采用耐火轻质板材作为防火外包层 耐火轻质板材的主要 材料是水泥 石膏 硅酸钙 蛭石 陶瓷纤维 岩棉 砾石这 些耐火 无毒的物质 加工成板材以后 通过不同的构造方法 制成保护层 板材保护的做法有直接包裹或贴敷 使用加固铁 件连接 软性材料缠绕等 例如 有采用软性的陶瓷纤维毡缠 绕在钢构件上的 有使用掺无机纤维硅钙板 蒸压轻质混凝土 板 无机纤维强化石膏板 挤压成型水泥 预制混凝土板直接 贴敷的等 采用耐火轻质板材作为防火外包层 具有表面平整 装饰 性好 施工方便以及占用空间少 综合造价低等优点 目前 这种方法正逐步得到广泛应用 3 4 设置喷淋供水管网 在钢结构顶部设喷淋供水管网 火灾时自动 或手动 开启喷 水 在钢构件表面形成一层连续流动的水膜 从而起到保护的 作用 3 5 喷涂防火涂料 用喷涂机具将防火涂料直接喷涂于钢构件表面 形成保护 层 这种方法施工简便 重量轻 耐火时间长 而且不受钢构 件几何形状限制 具有较好的经济性和实用性 根据高温下涂层变化的情况 钢结构防火涂料可分为膨胀 型和非膨胀型两个系列 1 膨胀型防火涂料 膨胀型防火涂料 又称薄型防火涂料 涂层厚度一般为 2 7 mill 耐火极限可达 0 5 1 5 h 膨胀型防火涂料的基 料为有机树脂 配方中还含有发泡剂 碳化剂等成分 遇火后 自身会发泡膨胀 形成比原涂层厚数十倍的多孔碳质层 多孔 碳质层隔热性能极佳 可阻挡外部热源对基材的传热 构成绝 热屏障 保护钢构件不受火灾的损毁 膨胀型防火涂料具有涂层薄 重量轻 抗振性好 装饰性 好等优点 缺点是施工时气味较大 涂层易老化 若处于吸湿 受潮状态会失去膨胀性 2 非膨胀型防火涂料 非膨胀型防火涂料 又称厚型防火涂料 其主要成分为无 机绝热材料 遇火不膨胀 自身具有良好的隔热性 非膨胀型 防火涂料 利用涂层固有的良好的绝热性 以及高温下部分成 分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用 来阻隔和消耗 火灾热量向基材的传递 从而延缓钢构件达到临界温度的时间 非膨胀型防火涂料 涂层厚度一般为 7 50 mm 耐火极限可达 0 5 3 h 非膨胀型防火涂料一般不燃 无毒 耐老化 耐久性 较可靠 适用于永久性建筑中 非膨胀型防火涂料分为两类 一类以矿物纤维为骨料采用 干法喷涂施工 另一类是以膨胀蛭石 膨胀珍珠岩等颗粒材料 为骨料 采用湿法喷涂施工 采用干法喷涂纤维材料 涂层容重轻 但施工时容易散发 细微纤维粉尘 对施工人员和建筑物内工作人员可能造成健康 影响 施工环境较差 另外表面疏松 只适合于完全封闭的隐 蔽工程 在国内永久性钢结构建筑中 大量推广应用的非膨胀 型防火涂料主要为湿法喷涂工艺 目前 采用湿法喷涂的非膨胀型防火涂料有两种 一种是 以珍珠岩为骨料 水玻璃 或硅溶胶 为黏结剂 属双组分包装涂 料 采用喷涂施工 另一种是以膨胀蛭石 膨胀珍珠岩为骨料 水泥为黏结剂的单组分包装涂料 到现场只需加水拌匀即可 能喷亦能抹 因为这种防火涂料可手工涂抹 涂层表面可达到 光滑平整 选用钢结构防火涂料时 应考虑结构类型 工作环境 耐 火极限要求等因素 喷涂的涂料厚度必需达到设计值 节点部 位宜适当加厚 喷涂场地要求 构件表面处理 接缝填补 涂 料配制 喷涂次数 质量控制及验收要求等均应符合 gb 14907 1994 钢结构防火涂料通用技术条件 的规定 3 6 空心钢结构内注水 在空心钢结构内注水 并与设置在钢结构顶部的水箱相连 形成封闭冷却系统 使钢结构在火灾时保持较低的温度 若发