钢结构防火保护设计探究

1、钢结构防火保护设计探究摘要：钢结构在世界各地广泛用于商业和工业中，尤其是在高层建筑。为了建筑方面的规例的功能要求，做好消防安全是非常的必要的，以确保规定的期限内建筑物的稳定。本文论述了钢结构抗火设计及防火保护的基本方法。关键词：钢结构，防火设计，防火保护，防火涂料引言近年来，钢结构在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。特别是1985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。本文介绍了钢结构特点和防火重要性，指出正确确定火灾危险性类别和耐火等级、合理确定防火分区是钢结构防火设计的关键，加强自动喷淋灭火系统和排烟措施，充分考虑人员疏散是钢结构防火的正确

2、措施，选用恰当的防火方法、确保材料和施工质量是钢结构防火的保证。 1.钢结构在火灾时的破坏机理火灾发生时产生的热量是以辐射和对流传给结构构件的,即使构件是不燃的,由于温度上升也会引起膨胀和强度的降低。热膨胀引起构件伸长,或两侧受热不均时引起构件弯曲,产生位移或约束力,在刚性框架结构中,由于横梁伸长而产生的约束增大,可能把柱子从其承载处推开,使结构受到破坏,引起垮塌。钢结构构件在温度升高时,强度会降低。钢结构构件在达到屈曲强度时会有很大的塑性变形,肉眼很容易观察。很多研究成果表明,当温度不超过600 时,在恒定荷载作用下,钢材的变形过程可以考虑为不依赖于时间的过程,其徐变的影响可以包括在应力应变

3、关系中。在最低温度20 时,承受240 N/ mm2 左右的应力时应变为2. 54 mm;在临界温度600 时,同样应变为2. 54 mm 时,只能承受约30N/ mm2 左右的应力,相差了约7 倍。因此,高温时钢结构构件的受力状况十分不利,防火设计是钢结构的结构和构造设计过程中十分重要的一环。2.钢结构的防火保护设计钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷。但是钢材作为建筑材料，在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量

4、等均会因温度的升高而急剧下降。钢随着温度的升高而失去钢的强度和刚度。图1显示了钢强度和温度之间的关系。在火灾感知上面，钢构件的设计荷载为周围环境温度，然后钢结构专用防火保护材料的钢构件，以确保某个特定的温度不超过极限温度。2.1防火保护方法设计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：包封法、屏蔽法、水冷却法、喷涂法。以下主要介绍屏蔽型防火和涂料型防火。（1）屏蔽法：屏蔽型防火的原理是通过将金属构件用耐火材料与火源隔断

5、,从而保护钢构件。屏蔽是一种最为经济的防火方法。即将钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。另外还有采用钢结构防火涂料保护构件，这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点，一般不需要添加辅助设施，且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用，属于现代的先进防火技术措施。从建筑构造的角度看有以下几种常见形式:在一些特殊的部位设置防火屏障,将火源隔开,起到防火墙的作用 。如:钢梁下安装防火平顶、钢柱外侧设置一定宽度的防火板等,可以省却钢桁架、钢网架等的防火保护层。在室内防火处理时,有时可以采用这种方法将火灾

6、发生频率高的防火分区与主要结构构件隔离开。另外在很多现代金属建筑中有一种结构外露的现象,除了展现结构与构造节点的力量美之外,在防火方面也很有益处。金属构件置于围护结构的外围,并保持一定的距离,当火灾发生时金属构件可以免受火焰的作用,隔墙板则可以起到隔热的作用,而且在发生火灾的情况下,外部空气保证了自然通风,起到了自然冷却金属构件的作用,也是一种变相的防火屏障。使用混凝土与耐火砖完全封闭钢构件。混凝土与砖是天然的耐火材料,它们本身具有耐火性能,根据厚度的不同耐火极限也不同,因此可采用混凝土包裹或者耐火砖包裹。以使用混凝土或砖来包裹钢构件,使钢构件达到一定的耐火极限。上海浦东的世界金融大厦的钢柱即

7、采用这种方法。但是,混凝土与砖的耐火极限随着厚度的增加而增加,因此采用这种防火措施的钢构件通常身材臃肿占地较多,同时在一些构件上的施工也较为困难,特别是钢梁、斜撑等构件。同时也不利于材料的经济节约,在要求达到通透轻盈效果的钢结构建筑中,采用这种保护方法是很困难的。耐火轻质板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸钙、蛭石、陶瓷纤维、岩棉、砾石这些耐火、无毒的物质,加工成板材以后,通过不同的构造方法制成保护层。有采用软性的陶瓷纤维毡缠绕在钢构件上的,有使用掺无机纤维硅钙板、蒸压轻质混凝土板、无机纤维强化石膏板、挤压成型水泥、预制混凝土板直接贴敷的板材保护的做法有直接包裹或贴敷、使用加固铁件连接、软性材料缠

8、绕等。（2）涂料型防火：涂料型防火的原理较为简单,通过涂抹耐火的涂料来抵抗火焰。通常防火涂料分为两种:薄型和厚型,也可以说是膨胀型和非膨胀型。.薄型涂料(膨胀型涂料) :涂膜厚度为12 mm ,常温下较稳定,火灾时受热起泡、膨胀数十倍,形成隔热性能极佳的碳化层,保护钢构件不受火灾的毁损。这种耐火材料制成的保护层很薄,色彩多样,装饰性能极佳,适合于结构外露的金属建筑,有助于展现金属构件的力量美。.厚型涂料(非膨胀型涂料) :主要为无机绝热材料,受热不膨胀,自身有良好隔热性,涂层厚度不等,可有750 mm ,对应耐火极限为0. 53 h 以上,以蛭石、珍珠岩、矿物纤维为主要绝热骨料,分为干、湿法施

9、工,现在也有混合施工法。防火涂料的选用有很多讲究,如:适用于室内的防火涂料不能用于露天结构等,此处不作详细介绍。在“9. 11”事件后,防火涂料的抗冲击性能也得到专家们的普遍关注,但有关这方面的研究较少涉及,不能不说是个缺憾。另外,还有其他的一些防火措施,如:水冷却法,即在空心截面的钢柱内充水,与设在高处或顶部的水箱相连,形成封闭的冷却系统。受热时,钢柱内部产生水循环,将热量带走,但是这种方法需特殊的结构设计,比较复杂,很少使用。美国匹兹堡的美国钢铁公司大厦就使用了这种防火方法。此外还有很多方法，如水冷却法：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

10、，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。跟屏蔽型有些类似。2.2防火需要兼顾的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. 钢结构防火保护的一种措施是外包层。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

11、强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵浆以形成保护层，砂浆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。3.选用恰当的防火方法、确保防火材料和施工质量是钢结构防火的保证对钢结构采取有效的保护，就是将钢结构的耐火极限提高到规范规定的值，防止钢构件遇火发生变形塌落。目前常用的方法是在钢结构表面设置一层保护材料，如喷涂防火涂料、包裹耐火材料(混凝土、砂浆、岩棉等或用轻质预制板、防火板)、设水喷淋系统，这些都能有效提高钢结构构件耐火极限，保证钢结构在火灾时的安全。在使用防火涂料时，应

12、当注意防火涂料和底层防腐涂料的相互匹配，不得与底层防腐涂料发生化学反应，以免影响防腐防火效果。但是一些施工单位为追求经济效益，粗制滥造，用“三无”防火涂料产品，使得一些工程虽然刷了防火涂料，但在火灾发生时起不到任何防火保护作用，所以要严把材料质量关，在施工过程中认真操作，加强监督，确保施工质量。业主加强职工防火意识，经常开展防火知识的教育和培训，并在内部制定必要的防火应急方案，这样一定能减少火灾事故发生。4.结束语目前，高层钢结构建筑日趋增多，包括高层建筑，采用钢结构材料更为广泛。这些建筑一旦发生火灾事故，火不是在短时间内就能扑灭的，这就要求建筑师在设计时，加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限，并在建筑内部制订必要的应急方案，以减少人员伤亡和财产损失。参考文献：1GB50016-2006建