钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究

建筑钢结构的防腐与防火钢结构具有重量轻而强度高，塑性、韧性好，施工周期短等优点，因此在建筑工程中得到广泛的应用和发展。[1]高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑采用钢结构尤为理想，同时钢结构又是对城市影响最小的结构之一，是可重复利用的绿色环保材料。然而在钢结构的设计和使用中，建筑钢结构防腐和防火仍是钢结构应用的主要难题及阻碍。[2]本章要分别对钢结构防腐和防火的基本概念，主要方法等内容进行详细阐述。本章中将分别讨论钢结构防腐和防火的基本概念，主要技术方法及其各自的特点。2.1建筑钢结构防腐钢结构在使用期间和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起材质的变质和钢结构的破坏失效，称为钢结构的腐蚀。钢材在空气或潮湿的环境中易于锈蚀，钢材表面的铁原子与空气中的氧气化合而成质地疏松的氧化铁锈，特别是当空气中含有酸碱盐类介质时情况更为严重，腐蚀不仅使钢材表面产生不均匀的锈蚀，而且局部的锈蚀引起应力集中，促使钢结构提前破坏，尤其是在反复冲击荷载的作用下，更加速了疲劳强度降低，出现脆性断裂。钢结构的腐蚀危害建筑物的安全，造成巨大损失，甚至引起灾难性事故，后果极其严重。[3]据一些工业发达国家统计，每年由于钢结构的腐蚀而造成的经济损失约占国民生产总值的2%~4%，全世界每年因此造成的经济损失已高达数千亿美元以上。只有在设计建造的同时，对其进行卓有成效的防腐，确保长效防腐才能确保钢结构的长久寿命。下面将讨论钢结构的各种防腐方法及特点。2.2建筑钢结构防腐的主要方法2.2.1防腐方法一高压无气喷涂随着对钢结构防腐要求的提高以及环境保护限制,钢结构防腐涂料防腐涂料更进一步地朝着低溶剂、高固体成份的方向发展，致使涂料变得高粘度、厚浆型而越来越难于喷涂。传统的施工方法是手工刷涂和空气喷涂，手工刷涂不仅效率低下，而且不可避免的会留下刷痕，其漆面效果难于令人满意；[4]空气喷涂因不能雾化高粘度的防腐涂料，势必会大量加稀释剂，造成成本上升及环境污染，且过度稀释导致油漆成膜能力下降，影响油漆涂层寿命。如果采用高压无气喷涂施工工艺，这一问题便迎刃而解了。高压无气喷涂，它的工作原理是通过高压无气喷涂设备，将涂料增压至几百kg/cm2，通过喷咀将涂料雾化成细小的微粒，直接喷射到被涂物表面的一种喷涂方式。与刷涂喷涂相比，高压无气喷涂有以下特点：1．极佳的表面质量高压无气喷涂机将涂料用高压喷射雾化成细小的微粒，使其均匀地分布于工件表面，形成光滑、致密的涂层，这是刷涂等原始方法所无法比拟的。[5]2．满意的施工效率喷涂效率在300m2/h以上，大大节省人力和工时。3．提高附着力，延长涂层寿命高压无气喷涂采用高压喷射雾化，使涂料微粒获得强有力的动能，涂料微粒借此动能射达工件空隙之中，因而使涂层更密，与工件的机械咬合力增强，附着力提高，有效延长涂层寿命。4．节省涂料人工刷涂涂层厚度极不均匀，特别是对高粘度防腐涂料，涂层过厚；空气喷涂因空气在工件面反弹时把涂料带出，涂料利用率下降。而无气喷涂，既可获得均匀的涂层，反弹也比空气喷涂小，涂料的有效利用率高，相对其它涂装方式可节约涂料10－30%。[6][7]5．众多的规格各个系列的设备以配合不同生产量的需要，大型的气动及电动高压无气喷涂机，可以满足你批量的生产需要；而小型的电动高压无气喷涂机可配合你小量生产及现场修补之用，机动性好。选择好的钢结构防腐涂料有哪些益处一个好的钢结构涂料具有良好的机械性能和优异的防腐性能。对气候和油水混合物等都具有良好的稳定性。要有良好的视觉效果，在装饰上美观大方。防腐期限时间长，因为一个大型的工程不可能在几年内频繁施工。好的涂料可以俭省一个企业的精力和物力资源。2.3建筑钢结构防火钢材的耐火性能较差，受热后强度下降很快，如钢材在20℃时强度为450Mpa，在485℃时为278Mpa，几乎降到原来的50%，而到614℃时，钢材强度就只有70Mpa，几乎失去承载能力。[8]所以，钢材受热后，在强度下降和热应力的共同作用下很快出现塑性变形。在火烧15min左右，构件会如面条一样的软落下来，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是很难修复的，有关方面的火灾教训是极其深刻和痛楚的。因此对钢结构进行防火设计具有重大意义，主要有：（1）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。（2）避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。（3）减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。钢结构的防火保护有多种方法，这些方法有被动防火法：钢结构防火涂料保护法、防火板保护法、混凝土防火保护法、结构内通水冷却法、柔性卷材防火保护法等，它们为钢结构提供了足够的耐火时间，从而受到人们的普遍欢迎，而以前三种方法应用较多。另一种为主动防火法，就是提高钢材自身的防火性能（如耐火钢）或设置结构喷淋。[9]下文的内容将对钢结构的主要防火方法进行讨论和阐述。2.4建筑钢结构防火的主要方法2.4.1充水法

在空心钢构件内充水是抵御火灾最有效的方法，能使钢结构在火灾时保持较低的温度。水在结构构件内循环，受热的水可经冷却再循环，或由水管引入凉水来取代加热过的水。这种方法在国外被广泛地使用在钢柱的防护中。这种方法造价低，对空心钢构件的防渗漏、防腐蚀要求高，只适用于空心钢构件的保护。空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度，水在钢结构内循环，吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环，或由管道引入凉水来取代受热的水。

2.4.2轻质防火厚板包覆法

就是在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。[10]喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹，如石膏板、蛭石板、无石棉硅酸钙隔热

板等，包板的厚度根据耐火极限的要求而定。这种方法具有施工方便、装修面平整光滑、成本低、损耗小、无环境污染、施工周期短、耐老化等优点，推广前景好，是钢结构防火保护新的发展方向。

2.4.3复合保护法

紧贴钢板用防火涂料或柔性毡状隔热材料，外用防火薄板作罩面板。这种方法适用于表面有装饰要求，一般用于需要粘贴柔性毡状隔热材料或涂敷厚质防火涂料的钢柱。2.4.4钢结构防火涂料钢结构防火涂料是施涂于建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构耐火极限的涂料，分为厚型、薄型、超薄型等几种。厚型涂料呈颗粒状，涂层厚度通常在8毫米以上，施工方法为喷涂，高温时依靠涂料本身的厚度及较低的导热率起到对钢构件的隔热用。薄型和超薄型涂料涂层较薄，有一定装饰效果，施工方法可喷可刷，高温时涂层膨胀增厚保护钢构件。[11]具有重量轻、施工较简便，适用于隐蔽结构和裸露的钢梁、斜撑等钢构件。2.4.5浇筑混凝土砌筑砖块法用现浇混凝土作外包层时，可以在钢结构上现浇成型，也可采用喷涂法（喷射工艺）。现浇的实体混凝土外包层通常可用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度。也可以在施工现场将钢结构表面涂沫砂浆以形成保护层。砂浆可以是石灰、水泥或石膏砂浆，也可掺入珍珠岩或石棉。外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥和轻混凝土做成的预制板，采用胶粘剂和钉子或螺栓固定在钢结构上。[12][13]这种方法保护层强度高、耐冲击，占用空间较大，适用于容易碰撞、无保护面板的钢柱防火保护。PAGE83工程实例3.1工程结构形式本广场0.10米以上钢结构，包括：中楼和与其相连的裙房部分为钢和钢筋混凝土的混合结构，中楼地上部分柱为钢管混凝土柱，框架梁为钢梁。混凝土核心筒墙中预埋工字形钢柱，钢次梁为钢和混凝土组合梁。裙房与中楼相连的部分有型钢混凝土梁和大跨度的工字形钢梁。钢梁和型钢混凝土梁柱中型钢和混凝土核心筒剪力墙中的预埋钢柱均为工字钢，中楼钢管混凝土柱为圆形钢管内浇混凝土，建筑高度165米。图3.1钢管柱－梁结构形式图3.2承接工程范围工程范围为/A6轴至A11轴、A线至E线的所有构件和预埋件，总工程量约为4567多吨。其中包括：管柱、型钢柱、型钢框架梁及核心筒预埋件。3.3施工重点A、材料管理本工程每层的梁、柱都有Q345B、Q235B等多种材质，因此对原材料及零部件的材料管理很关键。B、与总包及其他单位的配合本工程的工程量很大，并且工期很紧，钢柱及核心筒与土建交替施工，因此，其中有些构件需要配合土建施工，按计划进场，要相互之间的配合，以避免构件延误工期、和赶工的情况发生，并保证工程与土建的进度同步，为现场的安装提供方便。C、构件组装精度的保证本工程为高层工程，为保证多节构件安装的精度，牛腿在水平方法带有一定的角度，因此，工厂内单件制作的精度很重要，给工厂的制作提出了很高的要求。D、管柱的焊接本工程中、管柱所占很大的的比例，焊缝曲线形式多、角度变化大，如何保证焊接质量、控制焊接变形，减少焊接应力和杜绝焊接缺陷是关键。3.4主要材料情况3.4.1、概况本工程的梁、柱材质为Q345B，部份工字型钢次梁GL是Q235B材质。本工程包括：Ф1000×16钢管柱；BH（200～600）×250×18×22钢梁；核心筒混凝土劲性柱梁（H型钢）；预埋件；H型钢次梁等。3.4.2、钢管柱制作和节点板的焊接钢板订货采用定尺板，依据详图作出钢板排版图，按钢柱展开尺寸12×3.14×0.016钢板进料，加工成直缝焊接管，可以保证每根钢柱为一整根，杜绝了横向对接口。管柱结构节点复杂，焊接工作量大，熔透焊缝多，一级焊缝占焊接总量的90％以上。结构件以圆弧形连接居多，对零件成型工艺要求高，钢柱上连接件角度变化多，对制作精度也是一个挑战。3.5、施工准备3.5.1、防腐涂料施工前的基层检查防腐涂料施工应在钢构件除锈和防锈符合设计要求和国家现行标准规定后方可进行。防锈层应无误涂、漏涂和返锈等现象。防锈层应无明显流坠、皱皮、气泡和气状针孔。补涂防锈漆漆膜必须完整，附着力良好。如基层不合格不得进行防腐涂料的施工，必须先进行基层处理。3.5.2、防腐涂料施工前的基层处理A、喷（刷）涂防腐涂料前，首先必须对需做防腐涂料的钢构件表面进行清理。B、用铲刀、钢丝刷等清除钢构件表面的浮浆、泥沙、灰尘和其他粘附物。C、钢构件表面不得有水渍、油污，否则必须用干净的毛巾擦拭干净。D、钢构件表面的返锈必须予以清除干净，清除方法依锈蚀程度而定：面部防锈漆脱落或锈蚀情况不严重，可用铲刀铲除起皮、脱落的防锈漆，再用钢丝刷刷除锈迹，比较难清除的防锈漆可用金钢砂打磨。对运送至工地现场的防腐涂料，在进入工地临时仓库前，必须对防腐涂料的型号、品牌、生产日期、颜色、合格证、出厂检验报告、保质期等逐项进行检查。涂料的品牌、型号、颜色必须与本工程要求使用的防腐涂料完全相符才能使用；生产日期、合格证及出厂检验报告等必须与到场的材料相符，方可验收入库。基层砂毛，再用相同种类或品牌的防锈漆进行补刷，补刷的防锈漆漆膜必须完整，附着力良好。E、基层表面处理完毕，并通过相关单位检查合格后再进行防腐涂料的施工。3.6、防腐涂料材料的准备A、严格进场防腐涂料的材料报审制度，每一批防腐涂料进场，必须填写《建筑材料报审表》，经监理及相关单位验收合格同意使用后，方可使用。B、本工程所用的钢结构防腐涂料必须在现场用搅拌机搅拌均匀，故而需在临时仓库旁设置一搅拌区，以方便搅拌涂料。防腐涂料在搅拌区搅拌好后，用胶桶分装，由运输班组用手推车或手提桶运至各喷涂、刮涂及刷涂班组，再进行施工。3.7、防腐涂料施工方法具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝(锌)丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表面，以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度约80μm～100μm)。[14]最后用油漆等涂料封闭毛细孔，形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不被腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制。另一优点是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的缺点是工业化程度较低，喷砂喷铝(锌)的劳动强度大，质量易受操作者的情绪变化影响。

3.8、喷涂、刮涂及刷涂施工工艺3.8.1、喷涂施工工艺A、主要施工设备：空压机、重力式喷枪、油漆喷枪、气管等；B、喷涂施工要点喷枪宜选用重力式涂料喷枪，喷嘴口径宜为2～5mm（最好采用口径可调的喷枪），空气气压宜控制在0.4～0.6MPa。喷嘴与喷涂面宜距离适中，一般应相距25～30cm左右，喷嘴与基面基本保持垂直，喷枪移动方向与基材表面平行，不能是弧形移动，否则喷出的涂层中间厚，两边薄。操作时应先移动喷枪再开喷枪送气阀，关闭喷枪送气阀门后才停止移动喷枪，以免每一排涂层首尾过厚，影响涂层的美观。喷涂构件的阳角时，可先由端部自上而下或自左而右垂直基面喷涂，然后再水平喷涂；喷涂阴角时，不要对着构件角落直喷，应当先分别从角的两边，由上而下垂直先喷一下，然后再水平方向喷涂，垂直喷涂时，喷嘴离角的顶部要远一些，以便产生的喷雾刚好在角的顶部交融，不会产生流坠；喷涂梁底时，为了防止涂料飘落在身上，应尽量向后站立，喷枪的倾角度不宜过大，以免影响出料。3.8.2、刮涂施工工艺A、主要施工机具：刮灰刀、抹子及刮板；B、刮涂施工要点刮涂施工宜采用刮灰刀、抹子及刮板，刮涂的要点是实、平、光，即防火涂料涂层之间应接触紧密，粘接牢固，表面应平整、光滑，以减少修整工作量和达到整个涂层的光面效果。刮涂时应掌握好刮涂工具的倾斜度，用力应均匀。为避免涂层收缩过大，出现开裂和脱落，一次刮涂不要过厚，根据TW—I涂料的特点，以0.6～1.0mm厚度为宜。3.8.3刷涂施工工艺及技术要点A、刷涂施工机具：3″～4″毛刷、圆胶桶、匀料板；B、刷涂施工要点：宜选用宽度75～150mm左右猪鬃毛刷，刷毛均匀不易脱落。为防止涂刷中掉毛，可先用其蘸上涂料，使涂料浸入毛刷根部，将毛根固定，毛刷用毕应及时用水或溶剂清洗。刷涂时，先将毛刷用水或稀释剂浸湿甩干，然后再蘸料刷涂，刷毛蘸入涂料不要太深。蘸料后在匀料板上或胶桶边刮去多余的涂料，然后在钢基材表面上依顺序刷开，布料刷子与被涂刷基面的角度约为50°～70°，涂刷时动作要迅速，每个涂刷片段不要过宽，以保证相互衔接时边缘尚未干燥，不会显出接头的痕迹。3.9、防腐涂料成品保护为确保工程质量外观美观，项目施工管理班长根据工程实际情况，在涂料分区完成后，专门组织专职人员，负责成品质量保护，值班巡察，进行保护工作。拆除脚手架和其它辅助设施时，注意避免钢管猛力碰撞涂料面层。其它工种的成品保护。周围已装饰好的墙面：在涂料施工作业时，对作业面、点附近有可能被污染处，用塑料彩条布遮盖。钢结构上盖板：除局部采取覆盖彩条布的遮挡措施外，在与面盖板结合部位的钢构件，尽量采用刷涂方法施工。3.10、防腐涂料使用效果框架构件主要由加工厂完成底漆和中漆，现场负责面漆防腐、防火，其中汽机钢屋架为现场制作，现场负责底漆、中间漆、面漆的防腐、防火，节点防腐也需经底漆、中间漆、面漆。钢梯、钢平台栏杆及外露铁件部件，基层除锈后涂刷防腐漆一道,再刷浅灰色调合漆两遍，油漆的使用年限及质量应符合国家标准的规定；在工程实际使用中取得了较好的效果。

4结论与展望随着钢结构工程在建筑上的广泛应用，钢结构的防腐、防火保护问题也在建筑工程中被日益重视。作为钢结构工程的设计、施工人员，必须对防腐、防火涂料的类别、性质、适用性等有相当的了解，以便高建筑钢结构的使用性能。钢结构的防腐经常使用高压无气喷涂方法，建筑钢结构防火的主要方法有：耐候钢、热浸锌、热喷铝(锌)复合涂层等。目前，无论是工程业主、使用者还是施工者对于施工时如何检测防腐涂层的性能，基本不予重视。另外，一些工程业主完全依图而定，在工程开工之前，没有找专门的防腐工程专家对工程整体防腐方案进行评估，没有委派专业的防腐施工工程师或专家对防腐涂层进行严格的检验，一切交给工程监理。工程监理对防腐的理解也是依图而定，工程交付使用后基本没有进行防腐维护的检测，还有的不顾实际情况大砍防腐工程的费用，这些都使钢结构寿命大大缩短。综合世界各国对钢结构建筑的防护做法证明，注重防腐涂料进行防腐涂装及用防火防腐涂料进行防火防腐涂装是最经济有效、最简便实用、最普遍的一种方法。国外，德国、日本在这一领域的研究也十分活跃，已有不少高性能的产品问世。但是这些防火涂料都不具备防腐蚀功能，因此主要用于室内钢结构的防火。半个世纪以来这类薄型膨胀型防火涂料不断得到发展，从基料到防火助剂都不断推陈出新，尤其是近年来出于环境保护的要求，水性防火涂料受到人们的广泛关注。德国、美国、日本等发达国家每年膨胀型防火涂料的产值都在1000万美元以上。钢结构材料存在的另一大问题是容易腐蚀。金属防腐蚀的手段很多，防腐蚀涂料作为金属防腐蚀的主要手段，各国多年来投入大量人力物力进行研究。英、美