钢结构的应用及其特钢结构点

钢结构具由截面小、质量小、运输和安装方便、承载力强、抗震性能强等特点，因此被广泛应用于建筑结构中，但其耐热不耐火的性能是钢结构自身的最大的致命弱点。结构发展遇到了新挑战。（二）国内外钢结构抗火性能的重要性案例中同样显著，钢材自身为非燃烧材料，但是其本身材料并不能耐高温，经实验证明钢材在高温下的屈服强度为正常室温条件下的一半，在600℃的状况下钢材整体上会丢失自己的强度与刚度，当出现了火灾，会致使工程的结构被严重损害，还有可能使得总体的结构坍塌，这就增加了人员伤亡的概率并且提高了后期的施救难度，同时为火灾破坏后工程的修复增加了难度。由于钢结构本身的耐火性较差，所以火灾对于钢结构建筑容易造成较大危害，根据美国相关文献研究表明，美国在上世纪90年代的1980年到1988年八年的时间内累计发生火灾250万余起，火灾共造成了30000多人伤亡。钢结构建筑在火灾当中造成较大损失的还有日本，日本在上世纪90年代火灾事故发生较为频繁，例如在1980年间日本共发生火灾6万余起，当年由火灾所造成的经济损失达到了1460亿日元，而火灾所造成的损失却在逐年攀升，例如日本在1989年到1991年间由火灾破坏所造成的经济损失分别为4500亿日元，5200以及7900亿日元。我国在上世纪50年代之间由于火灾事故所造成的经济损失平均每年为0.5亿日元。随着我国经济的发展，我国各种重工业企业如雨后春笋一样开始建设成形，由于工业厂房普遍使用钢结构的厂房建筑，所以我国的钢结构厂房建筑数量逐年增多，这也就直接造成了火灾所造成的破坏更加严重，我国在上世纪60年代，70年代以及80年代期间由火灾所造成的年平均损失分别为1.5亿元，2.5亿元以及3.2亿元。这样的状况在迈入九十年代之后变得更加严重。比如说中国在1993年间一共出现了三万多起火灾，导致两千多人丧生，将近六千人受伤，导致的直接经济损失是11.2亿元，占据1993年GDP的千分之三，1994年中国总共发生了39337起火灾，导致接近三千人丧生，四千多人受伤。1994年的直接经济损失大约是12.44亿元。国内外目前仍然有许多重大钢结构建筑由于火灾导致非常严重的破坏的例子。1967是钢结构建筑，建筑里的屋盖在火灾中被损坏，1970年美国纽约的第一贸易办公大楼同样因火灾原因遭受破坏，该建筑的屋盖钢梁受到火灾原因造成了严重扭曲，整体扭曲数值甚至达到10厘米。美国费城哈里森在1984年发生重大火灾事故，受火灾事故影响建筑当中的钢桁架由于受热导致自身强度降低，造成了坍塌，并且对于周围的17幢建筑造成了不同程度的破坏。此类事件在英国也多有发生，在1990年期间英国一幢钢结构建筑由于火灾影响在施工当中发生较大程度的破坏，在这次事故当中建筑当中的钢梁，钢柱甚至钢桁架的屋面都遭到了不同程度的破坏。在2001年的“911事件”中，美国高达411m，总层数为110层的摩天大楼受到飞机的撞击造成了较大程度的破坏，本次事故当中所造成的损失无法估计。二、钢结构的应用及其特钢结构点（一）钢结构建筑的耐火性能钢结构特点是建筑轻盈，空间大。但是建筑的安全性主要取决于高温条件下钢材耐火性能，是确定火灾危险性下建筑钢结构毫无安全保护性措施下，钢结构耐火极限仅为15min。钢材耐火性能不仅受到其自身材料性质影响，还涉及到热膨胀系数、强度、应应变关系、比热、热传导系数、弹性模量等参数。高温条件下，钢材屈服强度、弹性模量、极限强度随着温度的上升而下降，屈服的台阶也会逐渐下降。温度燃烧到不低于150℃，应采取必要的保护性措施；温度在300-400℃，度迅速下降，结构内部的结晶方式已经变化，进而造成钢材韧性与塑性降低，并肉眼可见蓝脆问题；温度高于400℃，钢材屈服强度下降至平时一般；温度为600℃，钢材已经丧失刚度与强度。钢材强度-温度变化题都会在800-1000℃。高温条件下钢材裸露，构建性能降低，塑性开始变形，结构出现局部破坏，进而造成整体性的结构坍塌。关键的公共建筑需要运用一、二级耐火等级建筑。然而比如说餐厅、便利店和商场菜场等建筑在无法有效建筑的状况下，需要运用三级耐火等级的建筑。文件中提到的建筑物的整体长度指的就是建筑物分段中线长度之和。若建筑物自己的平面采用不同的计量方式，选取其中的最大值。当建筑中设定了自动灭火系统，可以接纳的建筑面积最高值能够提高一倍，若在局部设定自动灭火系统，就需要思考让局部面积提高一倍。在不同的防火分区之间应该采用防火墙进行有效分隔，在实际施工当中有困难的情况下，可以使用水幕或者是防火卷帘。幼儿园和托儿所等儿童游乐场所应该独立进行建造，如果必须设置在其他建筑内，则应该设置独立的安全出口。（二）建筑构件耐火极限的确定在钢结构建筑中，结构构件的耐火极限为对于建筑结构构件按照标准国际化组织规定的标准升温曲线所进行的耐火试验，将试验中构件失去稳定性，完整性或隔热性视作试验结束，试验过程中的时间用小时（h）计。过于试验结束的标志性术语说明如下。1、丧失了稳定性：结构构件在火灾中丧失了负载力，或者出现了无法再次承载的变形。2、丧失了完整性：分隔构件一面被火伤害时，构件会发生一些穿透裂缝与能够通过火苗的小孔，让火能够在构件的背面展开燃烧的过程。3、丧失了隔热性：分隔构件一面被火伤害的过程中，背火面的温度会升高至220℃，这样就让背火面可燃物能够顺利进行燃烧的过程。（三）民用建筑耐火等级民用建筑的耐火等级总共可以列为4个级别，各个耐火等级的建筑相关构件的燃烧性质与耐火最高级别不可以低于下表中的数据。构件名称耐火等级一级二级三级四级墙防火墙不燃性3.00不燃性3.00不燃性3.00不燃性3.00承重墙不燃性3.00不燃性2.50不燃性2.00难燃性0.50非承重外墙不燃性1.00不燃性1.00不燃性0.50可燃性0.50表3-1不同耐火等级建筑相应构件的燃烧性能和耐火极限（h）二、抗火设计的目标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。如下图所示、E是高温与常温下钢材的性模量；、fy是高温和常温下钢材的屈服强度）结构钢的强度与刚度在火灾高温下均会极速下降；而火灾升温迅速，如表1。因此未采防火保护的钢构件，一旦发生火灾，就极易遭到破坏。四、钢结构的防火方法目前国内钢结构建筑实际施工当中主要采用的钢结构的防火方法为四种。防火板的隔离法此方法主要是将防火材料板使用机械的方式固定在钢结构的构件周围，其中机械的方式包括捆扎的方式以及螺栓连接的方法。通过在钢结构构件周围设置防火板的形式使得在火灾条件之下钢结构构件可以和有火环境进行有效的隔离。通过这种方式可以对于构件的受热速度实现有效的降低，确保构件在一定防火时效内不至于达到构件本身能够承受的极限温度。防火板本身是在工厂条件下批量生产，产品具备厚度较为一致且品质有保证的优点，但是由于该方法材料用量较大并且对于工艺要求较高所以造价一般较高，并且对于建筑当中结构较为复杂构件的细部施工较为复杂，所以施工过程中的装配阶段速度较低。防火板具有较为平整美观的外表，比较适合钢结构外露部分的防火处理，产品的耐火时间通常会超出四个小时。（二）膨胀漆的覆盖法此方法实际上就是把防火涂料漆使用合适的方法，比如说刷与涂抹以及喷涂等将防火涂料涂在钢结构产品的表层，这种防火膨胀漆对于结构构件而言起到防护层的作用，可以满足构件自身2h防火时间的需求。防火膨胀漆的主要防火形式是在自身受热的条件之下使得本身材料受热膨胀为原本厚度的10倍，这种防火形式可以有效降低构件自身的升温速度，并且涂刷的过程不受到构件复杂程度的影响，施工较为简单，并且施工工艺较为便捷有效。该方法自身的劣势在于防火膨胀漆材料在外界较为潮湿的环境下容易失效，所以并不适用于外界的潮湿环境，防火材料的造价受到材料自身特性的影响而有高低之分。（三）水泥砖块的填充法此方法对于一些特殊截面的H速率实现了有效的降低，可以提高其抗火速率。这种方法单独使用可以延长30分钟的耐火时间。（四）喷涂法此方法是目前非常普及的在施工作业当中大量使用的方法，该方法采用专业设备将防火涂料采用喷涂的方式直接覆盖于耐火时间的延长和防火层的厚度呈正比的关系，耐火时间最高可达到4h，关注。防火涂料根据图层的具体厚度能够列成薄涂型钢结构防火涂料与厚涂型钢结构防火涂料，薄涂型钢结构防火涂料通常火底漆与饰面层这样的两种，涂层厚度是2-7mm，耐火极限能够实现半小时-1.5小时。厚涂型钢结构防火涂料涂层厚度通常是8-50mm，涂层的密度并不是很大，热导也并不高，因此耐火极限不短，通常能够实现半小时-3小时。钢结构防火涂料被涂在构件的表括：1.涂料层对于钢结构基材起到一定的屏蔽作用，隔离火焰，就让钢结构构件避免直接展现于火和高温内。2.解出的不燃气体与水蒸气等成分都能够耗费一些能量，降低火焰温度以及稀释氧气的重要作用。钢结构防火涂料分类：1、超薄型结构防火涂料：涂层厚度3mm(含3mm)以内，装饰效果较好，高温时能膨胀发泡，耐火极限一般在2h以内的钢结构防火涂料。该类钢结构防火涂料一般为溶剂型体系，具有优越的黏结强度、耐候耐水性好、流平性好、装饰性好等特点。2、薄型钢结构防火涂料：涂层厚度大于3mm，小于等于7mm，有一定装饰效果，高温时膨胀增厚，耐火极限在2h以内的钢结构防火涂料。这类钢结构防火涂料一般是用合适的水性聚合物作基料，再配以阻燃剂复合体系、防火添加剂、耐火纤维等组成，其防火原理同超薄型。3、厚型钢结构防火涂料：涂层厚度大于7mm，小于等于45mm，呈粒状面，密度较小，热导率低，耐火极限在2h以上的钢结构防火涂料。由于厚型防火涂料的成分多为无机材料，因此其防火性能稳定，长期使用效果较好。矿物棉类建筑防火隔热涂料：涂料是继厚涂型建筑防火涂料—珍珠岩系列，氯氧镁水泥系列防火涂料之后的又一重要防火涂料系列，尚属空白，它与珍珠岩类防火涂料相比，其主要特点是作为隔热填料的矿物纤维对涂层强度可起到增强作用，可应用于地震多发的地区或常受震动的建筑物，并能起到防火、隔热、吸音之作用。一般设计要求厚度为经耐火试验达到耐火极限厚度的1.2倍，以耐火极限为梁2h，柱3h，其设计厚度为梁30mm，柱35mm。第一层厚1cm左右，晾干七~八成再喷第二层，第二层厚1~1.2cm左右为宜，晾干晾干七~八成再喷第三层，第三层达到所需厚度为止。2、喷涂时喷枪要垂直于被喷钢构件，距离6~10cm为宜，喷涂气压应保持0.4~0.6MPa，喷完后进行自检，厚度不够的部分再补喷一次。3、正式喷涂前，应试喷一建筑层（段），经消防部门、质监站核验合格后，再大面积作业。结语钢结构具有强度高，韧性好，自身重量较轻并且施工速度较快的特点，目前钢结构工程被广泛应用于建筑结构当中，但是钢结构建筑的最主要缺陷是其自身的耐火性较差，所以对于钢结构工程而言，对于建筑的抗火，防火设计是目前该结构形式的重要研究课题。本文介绍了四种钢结构抗火设计的主要方法，并且重点讲解了基于计算为主的钢结构抗火设计的研究思路，通过对于六层钢框架结构的实例研究运用计算方法进行了设计。目前国内最主要的钢结构抗火方法是喷涂防火涂料，防火涂料的抗火方式虽然因其施工工艺略显粗糙导致结构构件出现表面不平整，不匀称的问题，但是相应的，该方法施工较为简单迅速，由于施工工艺简单且原料价格相对经济所以是目前四种主要的抗火方法中最为经济合理的一种，并且该方法可以对于一些复杂结构部位进行防火涂料的喷涂。基于计算的构件抗火设计的计算其设计思想就是通过一系列的计算得出可以满足钢结构在火灾中最低耐火时间要求的涂料厚度。把测算当作核心的构件抗火设计方式的重点理论数据是有限元，详细的设计测算方式是先对高温条件下的钢材力学性质展开合理的考量，进而明确钢结构的抗火极限条件，研究火灾条件下钢结构构件的内部温度，根据其构件内的相应温度得到钢构件内部的弹性模量以及强度，根据防火技术规程中的等效方法，按照梁内温度均匀分布的方法求得梁内的温度应力，并且对于构件的整体稳定性进行验算，得出合适的涂料厚度。目前国内以及国际上对于钢结构火灾当中的破坏研究主要还是针对结构当中的单个构件进行分析研究，其实对于钢结构建筑而言，单个构件的破坏并非表明整个结构的破坏，若结构的抗火设计把预防总体结构的瘫倒当作核心时，此时基于总体结构承载能力极限条件的抗火设计是非常严谨的，现在钢结构火灾中总体反应的研究是比较关键的研究话题与抗火设计的重点内容。参考资料：[1]《钢结构设计规范》[S].（GB50017-2017），（5）[2]《建筑设计防火规范》[S].(2019),（2）.[3]李国强，将首超，林桂祥.钢结构抗火计算与设计M，北京，中国建筑工业出版社，1999[4]《钢结构防火涂料应用技术规范》[S].（GB50085-2002），（2）.赵金城，沈祖炎.钢结构抗火设计中的材料模型J工业建筑1996高光虎.多高层轻型钢结构住宅设计[J].建筑结构,2001(9).屈立军.钢结构耐火设计的当量时间J火灾科学，1999文献民.钢结构教学中的形象思维模式初探[j]浙江科技学院学报，2011，（1）：76-80代东亮、布辛、王新武.刚才高温下应力-----应变曲线研究[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2011（1）14-18李焕群、李驰原.钢结构防火措施的对比研究[J].工业建筑.2005，（S1）.《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)（1）.舒毅飞;王丹.浅谈钢结构抗火设计及防火保护[J].山西建筑,2006(20).《钢结构工程施工质量验收