建筑钢结构防火保护方法研究

来源:用户上传      作者: 舒光学

　　一、引言
　　
　　与其他建筑结构形式相比，钢结构具有强度高、自重轻、使用空间大、灵活性好、施工进度快等优势，广泛地应用于各种建设工程。目前，国内外钢结构建筑发展迅速，体育场馆、写字楼、商场、工业厂房等已大量采用钢结构。然而，钢材虽为非燃烧材料，但温度为40℃时，钢材的屈服强度将降至室温下的一半；温度达到60℃时，钢材几乎丧失其全部强度和刚度。因此，当钢结构防火保护措施不利时，一旦发生火灾其承载能力将下降，变形迅速增加，可能会在较短时间内就达到极限状态而发生破坏。
　　
　　二、钢结构火灾及其危害
　　
　　在2001年的“9.11”恐怖袭击事件中，由于飞机撞击引起大火，致使纽约世界贸易中心两栋110层、高411m、用钢7.5×104t的钢结构大楼倒塌，造成2，308人死亡。1967年美国蒙哥马利市的某饭店发生火灾，钢结构屋盖被烧塌。1970年美国高达50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右。1984年美国费哈里森大楼火灾，钢桁架结构坍塌，且不同程度地殃及到附近17幢建筑。我国因火灾造成钢结构损毁或倒塌的事故达数十起，国内钢结构火灾情况见表1。（表1）
　　火灾造成的结构破坏，除造成人员伤亡以及直接经济损失外（结构损失），还可能造成更大的间接经济损失（如工厂停工）。如，2003年上海大众汽车制动器厂发生火灾，因钢结构厂房的破坏，使工厂停产致使大众汽车生产线的汽车总装受到影响。国内外统计表明，火灾引起结构失效造成的间接经济损失，约为火灾直接经济损失的3倍。
　　
　　三、火灾下建筑钢结构破坏机理
　　
　　从著名的英国BER Cradintgon钢结构火灾实验中总结出以下几点：
　　第一，高温使钢材的弹性模量降低，结构刚度下降；
　　第二，高温使材料强度降低，甚至熔化，导致结构承载能力下降；
　　第三，构件内部不均匀升温，使构件内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀，从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。
　　这三个方面的共同作用，导致建筑构件变形增大、开裂、屈曲、破坏，甚至局部或整体倒塌。
　　
　　四、建筑钢结构防火保护方法
　　
　　钢结构建筑的防火保护措施分为主动式和被动式两大类：
　　（一）主动防火措施
　　1、建筑物的防火安全设计。目前，钢结构建筑应用广泛，主要有民用建筑、高层建筑、工业厂房、库房等。在不同的建筑内，容易起火的部位不同，火灾和烟气的蔓延规律也有很大的差别。因此，火灾安全的要求重点也有所区别，应根据钢结构建筑使用特点来确定钢结构的防火安全要求。一般进行建筑防火安全设计中需考虑如下问题：根据建筑物使用中的火灾危险性采取相应的耐火等级的建筑结构，以及设置适宜的防火分隔；建筑物内部设置适当的火灾探测报警、自动灭火、防烟排烟等设备，并综合考虑与室内通风、取暖、空调及其他电气设备的搭配等。
　　
　　2、火灾探测报警技术。火灾探测报警系统包括探测器和报警控制器两大基本部分。根据所探测的火灾参数的不同，火灾探测器划分为感温、感烟和感光（火焰）、气体和复合式等型式。
　　3、烟气控制技术。建筑物发生火灾后，有效的烟气控制是保护人们生命财产安全、减少进一步损失的重要手段。控制烟气一般有两种方式：挡烟和排烟。很多大规模的建筑，其烟气控制往往是几种方法的有机结合。排烟形式的合理与否，不仅关系到烟气控制的效果，还有很大的经济意义。
　　4、喷水灭火和其他灭火技术。目前，常用的灭火系统包括喷水灭火系统、水雾灭火系统、二氧化碳灭火系统、泡沫灭火系统以及千粉灭火系统和卤代烷灭火系统，其各有适用范围和优缺点。从机理上分，主要包括：隔离、冷却、窒息和抑制等，如表2所示。（表2）
　　（二）被动防火措施
　　1、疏导法和截流法。钢结构被动防火从热量传输原理归纳起来主要有两大类：截流法和疏导法，如喷涂法、包封法、屏蔽法、水喷淋法、充水冷却法等。这些防火措施各有优缺点，根据国内外工程实践，主要以喷涂法为主，包封法次之。
　　截流法与疏导法的目的，都是为了使构件在规定的时间温度升高不超过其临界温度。截流法是通过阻止热量向构件传输来达到目的，而疏导法允许热量传到构件上，再把热量导走来实现目的。
　　2、防火涂料在钢结构防火中的应用。目前，钢结构防火涂料是钢结构防火保护的主要选材，按照其厚度可分为：厚涂型、薄涂型和超薄型钢结构防火涂料。但是，钢结构防火涂料存在价位高、装饰性差等缺点，而且随着保护时间的增长，会使其综合性能下降，降低其防火能力。
　　3、防火板材在钢结构防火中的应用。钢结构防火用板材分为两类：一类是密度大、强度高的薄板；一类是密度较小的厚板。防火薄板的特点是密度大、强度高、导热系数大，使用厚度一般为6～15mm之间，主要用作轻钢龙骨隔墙的面板、吊顶板（又统称为罩面板），以及钢梁、钢柱经厚型防火涂料涂覆后的装饰面板。防火厚板的特点是密度小、导热系数低，其厚度可按照耐火极限需要确定，大致在20～50mm之间。由于本身具有优良的隔热性，可直接用于钢结构防火，提高耐火极限。这类板材主要有轻质（或超轻质）硅酸钙防火板以及膨胀蜓石防火板两种。
　　4、喷涂法和包封法的比较。喷涂法施工简便，无须复杂的工具即可施工，重量轻，而且不受构件的几何限制，特别适用于轻钢结构、网架结构和异形钢结构等，是目前使用最多的钢结构防火保护方法；包封法是用导热系数小、热容量大的防火板材或混凝土，对钢结构采取保护的措施。该方法由于施工复杂，适用范围较喷涂法小，使其应用得到了一定限制。但是，它在某些方面比喷涂法具有独到的优势。随着国内外新型结构型防火板材的研制成功，包封法正逐步体现出自己的优势：耐火性能好，耐火极限高；性能稳定，持久可靠；安全性好；经济效益好。
　　（作者单位：恩施职业技术学院）

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