注册安全工程师考试备考辅导浅谈钢结构抗火设计及防火保护

浅谈钢结构抗火设计及防火保护摘 要：简述了钢结构具有的特点，参考国内外资料，论述了钢结构抗火设计及防火保护的基本方法。并提出了今后工作中需大量研究的问题，为钢结构设计的完整性提供了参考。 关键词：钢结构，抗火设计，防火保护，防火涂料 近年来，钢结构在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。特别是85年,我国兴建了第1幢高层钢结构建筑“深圳发展中心大厦”以来，开辟了我国建筑钢结构的新领域。 钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比具有以下特点：1）钢材材质均匀，可认为为理想的弹性材料，受力状态简单明了。2）钢材的塑性和韧性好，有利用提高结构的抗震性能。3）钢结构强度高，自重轻，降低结构的自振周期，减小结构设计内力，降低基础造价。4）钢结构制作周期短、施工速度快等。 钢结构优点很多，但却有一个致命的缺陷：耐火性能差，结构发生火灾后在很短的时间内就能把建筑物烧毁。文中针对钢材的抗火性能，参考了国内外的资料，总结出了钢结构的抗火设计方法及保护方法，并给出一些建议，为钢结构的设计提供参考。1 钢结构抗火的设计方法钢结构抗火设计的实质是:选定保护材料及所需厚度,从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性，满足承载能力的规定。 基于试验的构件抗火设计是一种简单、直观的方法。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火时间,然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下的标准试验,测定其抗火时间。设计目标为:结构(构件)的抗火时间不小于规范规定的耐火时间。我国现行建筑设计防火规范（GBJ87）中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。该试验方法存在很多缺陷。首先,耐火时间、耐火等级不易确定。目前建筑物趋于功能复杂,体量大型化。同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大。其次,构件在结构中受力很难模拟,而受力的大小对构件耐火时间的影响很大。最后,构件受火在结构中产生温度应力,而这一影响在构件试验中也难以准确反映。可见早期的抗火设计方法有时失之经济,有时又失之安全。鉴于试验的上述缺陷,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,特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。 基于计算的现代方法即用计算的方法代替标准试验的方法,可以免除传统方法中所存在的问题,是钢结构抗火设计发展的方向。目前计算方法有几种:直接按耐火等级选择构件的耐火极限,求出构件临界温度后Ts,用、Ts为控制条件求保护层厚度的Ts-耐火设计方法；用构件的临界温度Ts和当量升温时间Te来确定防火保护层厚度的Ts-Te耐火设计方法。我国的第一部钢结构防火设计标准上海市钢结构防火技术规程（报批稿）中采纳的设计方法,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下的内部温度。 (3)采用确定高温下钢的材料参数,计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。 (4)进行荷载组合： 式中S荷载组合效应； Gk永久荷载标准值； Qik楼面或屋面活载（不考虑屋面雪载）标准值； Wk风荷载标准值； 构件或结构的温度变化（考虑温度效应）； 永久荷载分项系数，取1.0； 楼面或屋面活荷载分项系数，取0.7； 风载分项系数，取0或0.3，根据不利情况； 温度效应的分项系数，取1.0； 永久荷载，楼面或屋面活载，风载，温度变化的效应系数。 (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。验算要求为:SR式中R为按确定温度条件下的构件的极限承载力。(6)当设定的防火被覆厚度不合适时(过大或过小),可调整防火被覆厚度,重复上述(1)(5)步骤。 基于计算的防火设计方法,优点是：考虑了多个影响因素,从构件的实际工作条件出发,进行耐火设计,从而与实际情况更接近；用保护材料的热物理参数测定法取代了构件的耐火试验,使试验工作简化并大大降低了费用。缺陷是：目前计算方法尚未统一;计算较为复杂,各计算方法之间计算结果差异较大，没有考虑基于整体结构的计算。2 钢结构的防火保护2.1钢结构的防火保护方法 除了进行基本的抗火设计我们必须考虑可行的防火保护，将两者紧密的结合起来，钢结构的防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。主要方法有以下几种： 1）包封法：采用耐火、轻质的板材，如石膏板、硅酸钙板、珍珠岩板等，通过粘结剂或连接构件（钢钉等）将板材包封、固定在钢构件上。也可以浇注混凝土成砌筑耐火砖。 2）屏蔽法：即是把钢构件保藏在由耐火材料组成墙体或吊顶内。钢结构屋盖系统常用这种保护方法。 3）水冷却法：将空心的钢柱（或钢梁）连成管网，其内充满含抗冻剂，防锈剂的水溶液，通过着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带走；也可以设置自动水淋装置，在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动喷水，在钢构件表面形成一道致密的连续流动的水膜，从而起到防火保护作用。 4）喷涂法：采用喷涂或手工涂抹，将防火涂料涂覆于钢结构构件的表面。这是目前常用的方法，其施工简便，重量轻，而且不受钢构件几何形状的限制，有较好的经济性和实用性。 钢结构的防火保护方法并不是单单用上面的某一种方法，而是采用多法结合作用。现在的钢结构特别是高层或超高层钢结构往往设置几道防火防线，一般以喷淋法为第一道防线，以包封法和喷涂法为第二，第三道防线等。 2.2钢结构防火涂料 防火涂料是钢结构防火保护中最常用和最方便的方法。它是一种功能性涂料,除具有一般涂料的防护和装饰性能外,还具有防火的特殊功能。在我国一般分为厚涂型（H类）和薄涂型（B类）两类。其性质和功能对比。 薄涂型和厚涂型防火涂料的性质对比 类型 厚度（mm） 性质 耐火极限（hour） 特点 薄涂型(B类) 27 有机膨胀型阶段性防火 0.51.5 装饰性强、粘结力高、抗震动性和翘曲性好，施工方便。 厚涂型(H类) 820 无机膨胀型永久性防火 0.53.0 保护性强、热导率低、有效性高、无毒、施工较复杂。 薄涂型和厚涂型防火涂料的功能对比 类型 适用范围 施工方法 涂料型号 薄涂型(B类) 耐火极限在1.5hour以下的有装饰要求的钢结构。裸露网架、轻型屋架、体育馆。 分层喷涂、刷涂、滚涂、无需养护。 LB SG-1 SB-2 SS-1 厚涂型(H类) 耐火极限在1.5hour以上的钢结构、隐蔽结构，重要结构、潮湿环境下结构。高层全钢结构、多层厂房钢结构、烃类火条件下的钢结构等。 分层手工涂抹或机械喷涂、需养护。 LG STI-A JG276 SG-2ST-86 SB-1 值得注意的是露天钢结构,必须选用适合室外使用的钢结构防火涂料选用钢结构防火涂料时,还应注意下列问题:(1)不要把技术性能仅能满足室内的涂料用于室外。(2)不要轻易把饰面型防火涂料选用于保护钢结构。(3)不能选用有毒的涂料3 结语1)现行的抗火设计方法是基于计算的构件设计方法，缺乏基于计算的结构抗火设计。改方法以防止整体结构倒塌为目标时,基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计。即将结构的主要功能作为整体承受荷载,火灾下结构单个构件的破坏,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