大跨度钢结构建筑火灾特点及防治对策

大跨度钢结构建筑火灾特点及防治大跨度钢结构建筑火灾特点及防治 对策对策 近年来 我国社会经济的发展突飞猛进 随着经济的不断 发展也致使各类建筑业的得到了空前的繁荣 一些大跨度 超 高层建筑应运而生 建筑物中运用钢结构种类越来越多 厂房 住宅 桥梁 仓库 体育馆 展览馆 超市等建筑也越来越广 泛运用钢结构材料 钢结构本身具备自重轻 强度高 施工快 等独特优点 因此对高层 大跨度 尤其是超高层 超大跨度 采用钢结构更是非常理想 钢结构的快速发展 在我国取得了 不少成就 第一 钢结构建筑的数量不断增加 应用范围不断 扩大 如 2008 年奥运主体育场 鸟巢 世界第三高度 420 米 的上海金茂大厦 具有国际领先水平的深圳赛格大厦 72 层 高 度 291 米全部采用钢管混凝土柱 采用国产钢材 国内设计 施工的大连世贸中心 跨度 216 米的公路铁路两用低塔斜拉桥 的芜湖长江大桥 上海宝钢大型轧钢厂房 咸阳市也建成了西 北地区首座钢结构商住楼丽彩广场 c 座 三十二层 建筑高度 98 米 成为现代咸阳的标志性建筑 第二 钢结构技术不断改 进 由于以前钢材使用受限制 建筑采用传统的模式 而现在 出现了钢管 圆管 钢构混凝土等 要求结构的节点也随之变 化 管管相接 材料上 有高强度的钢 厚板钢材 玻璃 不 锈钢 钛合金 施工上也有新的工艺 钢结构在我国具有极大 的发展空间 国外钢结构建筑使用钢材占钢材总量的 10 左右 而中国仅占 4 左右 我国的人均钢材占有量刚达到世界人均水 平 100 千克左右 日本人均钢材占有量是 400 500 千克 有一 定差距 现阶段我国钢结构建筑只占建筑总量不足 3 的比例 发达国家已占 30 50 我国钢结构发展具有较大的空间和 潜力 伴随着建筑市场的持续发展 钢结构的发展将得到进一 步的推动 中国处于全面建设的高峰期 正大量消耗着全球的 自然资源 钢结构与混凝土结构相比 它环保且更利于建筑产 业化的发展 钢结构建筑在现代建设中得到了越来越广泛的应 用 但钢结构耐火性能低 如何提高钢结构的耐火性能对于建 筑的安全性至关重要 二 钢结构建筑火灾特点 在加热的情况下 钢材的力学性能随着温度的升高而变化 一般表现为弹性模量 屈服强度 极限强度随温度的升高而下 降 塑性变形和蠕变随温度的升高而增加 在 200 350 时 热轧钢出现所谓的 蓝脆 现象 此时钢材的极限强度提高而塑 性降低 与其他温度段相比变 脆 在 500 时 钢的极限强度 和屈服极限大大降低 塑性增大 在 450 600 时 碳化物 趋于石墨化和球化 石墨化的产物是由于碳化铁分解 生成游 离的石墨粒的结果 如果加热的温度越高 时间越长 钢的含 碳量越高 则碳化物的球化便越剧烈 存在石墨化和球化 表 明钢在高温下弱化了 力学性能降低 合金材料的加入一般会 使钢的上述变化需要的温度提高 试验结果表明 在 200 以内 强度变化不明显 屈服强度略有下降 而极限强度基本没有变 化 200 以后屈服强度随温度升高而降低的速率开始加快 极 限强度在 200 300 由于出现 蓝脆 而较常温下略有提高 300 以后极限强度随温度升高明显降低 在 600 时 低碳钢 的屈服强度和极限强度均只有常温时的 35 40 而碳素钢 丝的强度更低 随着温度进一步升高 在 800 时钢材的强度基 本消失 同时钢材的伸长率和截面收缩率随温度升高面增大 表明高温下钢材的塑性性能增大 易于变形 此外 钢材在一 定温度和应力作用下 随时间的推移会发生缓慢变形 即蠕变 蠕变会导致材料松驰 钢材在高温下屈服点降低是决定钢结构耐火性能的重要因 素 如某一钢构件在常温下受荷载作用应用值是屈服点的一半 但火灾时由于钢材在火灾高温作用下屈服强度降低 当实际应 力值达到了降低了的屈服强度时就表现出屈服现象而破坏 使 结构承载能力急剧下降 造成钢结构建筑物部分或全部垮塌毁 坏 这类典型的火灾案例有 2001 年世贸大厦被撞击后飞机携 带大量的燃油向大厦底部流淌 火势迅速向下蔓延 燃烧不久 灼热的高温就通过钢结构迅速传遍整幢大楼 致使大厦承重的 钢结构熔化 撞机仅 57 分钟南楼就彻底崩溃倒塌 而北楼也仅 坚持了 1 小时 22 分钟 造成了死亡 2797 人 损失 360 亿美元 的惊世惨案 2003 年 4 月 5 日 青岛市即墨正大食品有限公司 厂房发生火灾 在高温作用下 钢结构屋架仅仅约 30 分钟便轰 然倒塌 导致 20 多名员工被埋压在厂房内遇难 目前 在建筑 领域已采取了多种方式对钢结构进行保护 钢结构构件的各类 防火措施也孕育而生 二 钢结构建筑耐火性能提高方法 建筑钢结构的防火保护措施按照其防火行为来分主要分为 主动防火和被动防火 主动防火主要是指水喷淋法以及消防员 的灭火行为 即主动地控制建筑发生火灾的趋势 被动防火即 不包括灭火行为采取其他形式提高钢结构的耐火极限的一种防 火保护方法 从热量传输原理上来说 钢结构防火保护措施可 以分为截流法和疏导法 1 水喷淋法 水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网 火 灾时 自动启动 或手动 开始喷水 在构件表面形成一层连续流 动的水膜 从而起到保护作用 2 截流法 在构件的表面设置一层保护材料 截断或阻滞 火灾产生的热流量向构件的传输 使构件在规定的时间内温升 不超过其临界温度 由于选用的材料导热系数小而热容量大 可以很好地阻滞热流向构件的传输 从而起到保护作用 包括喷 涂法 屏蔽法和包封法等方法 1 喷涂法 用喷涂机具将防 火涂料直接喷在构件表面 形成保护层 喷涂法是一种最简单 最经济 最有效的做法 其价格低 重量轻 施工速度快 适 用于形状复杂的钢构件 也是钢结构厂房中最常采用的防火处 理方法之一 2 屏蔽法 把钢结构包藏在耐火材料组成的墙 体或吊顶内 在钢梁 钢屋架下作耐火吊顶 火灾时可以使钢 梁 钢屋架的升温大为延缓 大大提高钢结构的耐火能力 而 且这种方法还能增加室内的美观 但要注意吊顶的接缝 孔洞 处应严密 防止窜火 3 包封法 在钢结构表面做耐火保护 层 将构件包封起来 其具体做法有 用现浇混凝土作耐火保 护层 用砂浆或灰胶泥作耐火保护层 用矿物纤维作耐火保护 层 用轻质预制板作耐火保护层 3 疏导法 疏导法是先将热量传到构件上 然后设法把热 量导走或消耗掉 同样可使构件温度不至升高到临界温度 从 而起到保护作用 疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法 水冷却法是在空心钢柱内充满水 高温时 构件把外界环境中 吸收的热量传给水 依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量 导走 构件的温度可维持在 100 左右 如美国的堪萨斯州银行 大厦和匹兹堡钢铁公司大厦 采用的就是水冷却进行防火保护 冷却方法对于钢管柱的结构体系来说是一种非常有效的防火方 法 但为了防止钢结构生锈 须在水中放入专门的防绣外加剂 冬天还须加入防冻剂而且由于对结构设计有专门的要求 所以 目前实际上已很少使用 三 钢结构防火涂料的分类及优缺点 对钢结构材料进行防火处理 其目的就是将钢结构的耐火 极限提高到设计规范规定的极限范围 其措施是多种多样的 其中 喷涂防火涂料施工方便 重量轻 成本低 不受构件几 何形状限制 应用范围最广 效率最高 所以 喷涂防火涂料 是一种比较常见也相对成熟的做法 目前在实际工程应用中 我国钢结构防火保护方法绝大多数是采用喷涂防火涂料 1 钢结构防火涂料的防火原理 钢结构防火涂料的防火原 理是采用绝热或吸热的材料阻隔火焰直接灼烧钢结构 降低热 量向钢材传递的速度 推迟钢结构温升和强度减弱的时间 根 据 钢结构防火涂料 gb14907 2002 钢结构防火涂料定义 为施涂于建筑物及构筑的钢结构表面 能形成耐火隔热保护层 以提高钢结构耐火极限的涂料 2 钢结构防火涂料分类及优缺点 钢结构防火涂料一般可 分为厚涂型 薄涂型和超薄型 目前 钢结构防火涂料代表性 的产品有 国内的 sd22 tn2lg 防火涂料 sd21 lb 防火涂 料 scb sca 防火涂料 国外的产品如英国 graceconstructionproducts 的 monoketefireproofinguk26 美国 美商华人企业股份有限公司的 ad 防火涂料 德国 herberts 的 waterbased38320 防火涂料 38091 型防火涂料 英国的 nullifire 防火涂料等等 1 厚涂型钢结构防火涂料是指涂层 使用厚度在 8 毫米 50 毫米的涂料 这类钢结构防火涂料主要 由多孔绝热材料如粉煤灰空心微珠 膨胀珍珠岩 膨胀蛭石 石墨 矿物纤维等为骨料配以耐高温粘结剂而制成 其防火原 理就是由于涂层的导热系数小 具有良好的热绝缘性 从而可 在火灾中有效保护钢材不受破坏 厚涂型钢结构防火涂料的耐 火极限一般为 0 5 小时 3 小时 厚涂型钢结构防火涂料的优点 耐火极限高 可达 3 小时 主要组分为无机材料 耐火性能受 环境影响小 原材料来源广 价格低 遇火时不会放出有毒有 害气体 缺点是涂层厚 自重大 粘结力差 易剥落 表面粗 糙 装饰性差 施工麻烦 水泥基涂料需养护 2 薄涂型钢 结构防火涂料是指涂层使用厚度在 3 毫米 7 毫米的钢结构防 火涂料 目前国内外所使用的薄涂型钢结构防火涂料一般均为 膨胀型防火涂料 膨胀型防火涂料膨胀组分一般由脱水成炭催 化剂 成炭剂和发泡剂三部分组成 膨胀型防火涂料受热时 成炭剂在催化剂作用下脱水成炭 炭化物在发泡剂分解的气体 作用下形成膨松 有封闭结构的炭层 该炭层可以阻止基材与 热源间的热传导 另外多孔炭层可以阻止气体扩散 同时阻止 外部氧气扩散到基材表面 达到防火目的 薄涂型钢结构防火 涂料的优点 涂层薄 质轻 粘结力强 干燥快 表面光滑 颜色可调 装饰性好 单位面积用量少 施工简便 抗震动 抗挠曲性强 缺点是主要组分为有机材料 遇火时可能会释放 出氨 hcn 卤化氢 一氧化氮 二氧化氮 一氧化碳 二氧 化碳 氯 溴等有毒有害气体 还有耐久性差 存在随着环境 时间等溶出 分解 降解和老化等问题 耐火性能受环境影响 大 严格意义说不能用于室外 3 超薄型钢结构防火涂料是 指涂层使用厚度不超过 3 毫米的钢结构防火涂料 超薄型钢结 构防火涂料的防火机理与薄涂型完全一致 因目前国内外钢结 构防火涂料的发展趋势是涂层超薄 装饰性强 施工方便 防 火性能高 应用范围广 对涂料的粘结力和耐水性有较高的要 求 因此 超薄型钢结构防火涂料一般为油性膨胀型防火涂料 本涂料除应具有较好的防火隔热性能 粘接力好 强度高 能 经受高低温循环的影响外 涂层还应具有良好的耐水性 耐酸 性 耐盐腐蚀性 和不易脱落 贮存稳定 装饰性好 施工方 便等特点 这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡形成致密的防 火隔热层 该防火隔热层延缓了钢材的升温 提高了钢构件的 耐火极限 与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比 超薄型钢 结构防火涂料粒度更细 涂层更薄 施工方便 装饰性更好是 其突出特点 在满足防火要求的同时 又能满足人们高装饰性 要求 特别是对于裸露的钢结构 超薄型钢结构防火涂料的优 点 涂层更好 装饰性更好 兼具薄型涂料的优点 施工受环 境影响小 但同样具有薄型涂料的缺点 3 钢结构建筑防火涂料存在的问题 尽管钢结构防火涂料 起着主要的作用 在钢结构建筑工程应用中充分体现了价值 但其除了自身存在的缺点外 其它方面的问题也较为明显 具 体表现在生产 施工方面 国内多数钢结构防火涂料生产企业 的规模不大 生产工艺流程自动化水平不高 对专用于防火涂 料的原料研究不够 对原材料的检测 控制不够 生产过程的 检测手段不全 施工设备有待改进提高 与防锈漆的配套性也 不能进行严格的检验 在检测标准方面 gb14907 2002 钢结 构防火涂料