1、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)設(shè)計(jì)探究摘要：鋼結(jié)構(gòu)在世界各地廣泛用于商業(yè)和工業(yè)中，尤其是在高層建筑。為了建筑方面的規(guī)例的功能要求，做好消防安全是非常的必要的，以確保規(guī)定的期限內(nèi)建筑物的穩(wěn)定。本文論述了鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)及防火保護(hù)的基本方法。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，防火設(shè)計(jì)，防火保護(hù)，防火涂料引言近年來，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。特別是1985年,我國興建了第1幢高層鋼結(jié)構(gòu)建筑“深圳發(fā)展中心大廈”以來，開辟了我國建筑鋼結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域。本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和防火重要性，指出正確確定火災(zāi)危險(xiǎn)性類別和耐火等級(jí)、合理確定防火分區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，加強(qiáng)自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)和排煙措施，充分考慮人員疏散是鋼結(jié)構(gòu)防火的正確

2、措施，選用恰當(dāng)?shù)姆阑鸱椒?、確保材料和施工質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)防火的保證。 1.鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時(shí)的破壞機(jī)理火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的熱量是以輻射和對(duì)流傳給結(jié)構(gòu)構(gòu)件的,即使構(gòu)件是不燃的,由于溫度上升也會(huì)引起膨脹和強(qiáng)度的降低。熱膨脹引起構(gòu)件伸長(zhǎng),或兩側(cè)受熱不均時(shí)引起構(gòu)件彎曲,產(chǎn)生位移或約束力,在剛性框架結(jié)構(gòu)中,由于橫梁伸長(zhǎng)而產(chǎn)生的約束增大,可能把柱子從其承載處推開,使結(jié)構(gòu)受到破壞,引起垮塌。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度升高時(shí),強(qiáng)度會(huì)降低。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在達(dá)到屈曲強(qiáng)度時(shí)會(huì)有很大的塑性變形,肉眼很容易觀察。很多研究成果表明,當(dāng)溫度不超過600 時(shí),在恒定荷載作用下,鋼材的變形過程可以考慮為不依賴于時(shí)間的過程,其徐變的影響可以包括在應(yīng)力應(yīng)變

3、關(guān)系中。在最低溫度20 時(shí),承受240 N/ mm2 左右的應(yīng)力時(shí)應(yīng)變?yōu)?. 54 mm;在臨界溫度600 時(shí),同樣應(yīng)變?yōu)?. 54 mm 時(shí),只能承受約30N/ mm2 左右的應(yīng)力,相差了約7 倍。因此,高溫時(shí)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀況十分不利,防火設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計(jì)過程中十分重要的一環(huán)。2.鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)設(shè)計(jì)鋼材是一種不會(huì)燃燒的建筑材料，它具有抗震、抗彎等特性。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼材既可以相對(duì)增加建筑物的荷載能力，也可以滿足建筑設(shè)計(jì)美感造型的需要，還避免了混凝土等建筑材料不能彎曲、拉伸的缺陷。但是鋼材作為建筑材料，在防火方面又存在一些難以避免的缺陷，它的機(jī)械性能，如屈服點(diǎn)、抗拉及彈性模量

4、等均會(huì)因溫度的升高而急劇下降。鋼隨著溫度的升高而失去鋼的強(qiáng)度和剛度。圖1顯示了鋼強(qiáng)度和溫度之間的關(guān)系。在火災(zāi)感知上面，鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)荷載為周圍環(huán)境溫度，然后鋼結(jié)構(gòu)專用防火保護(hù)材料的鋼構(gòu)件，以確保某個(gè)特定的溫度不超過極限溫度。2.1防火保護(hù)方法設(shè)計(jì)除了進(jìn)行基本的抗火設(shè)計(jì)我們必須考慮可行的防火保護(hù)，將兩者緊密的結(jié)合起來，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率，延緩鋼結(jié)構(gòu)表面到達(dá)臨界溫度的時(shí)間。主要方法有以下幾種：包封法、屏蔽法、水冷卻法、噴涂法。以下主要介紹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過將金屬構(gòu)件用耐火材料與火源隔斷

5、,從而保護(hù)鋼構(gòu)件。屏蔽是一種最為經(jīng)濟(jì)的防火方法。即將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里，只要增加少許耐火材料或不增加即能達(dá)到防火的目的。另外還有采用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)構(gòu)件，這種方法具有防火隔熱性能好、施工不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形體限制等優(yōu)點(diǎn)，一般不需要添加輔助設(shè)施，且涂層質(zhì)量輕，還有一定的美觀裝飾作用，屬于現(xiàn)代的先進(jìn)防火技術(shù)措施。從建筑構(gòu)造的角度看有以下幾種常見形式:在一些特殊的部位設(shè)置防火屏障,將火源隔開,起到防火墻的作用 。如:鋼梁下安裝防火平頂、鋼柱外側(cè)設(shè)置一定寬度的防火板等,可以省卻鋼桁架、鋼網(wǎng)架等的防火保護(hù)層。在室內(nèi)防火處理時(shí),有時(shí)可以采用這種方法將火災(zāi)

6、發(fā)生頻率高的防火分區(qū)與主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件隔離開。另外在很多現(xiàn)代金屬建筑中有一種結(jié)構(gòu)外露的現(xiàn)象,除了展現(xiàn)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的力量美之外,在防火方面也很有益處。金屬構(gòu)件置于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外圍,并保持一定的距離,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)金屬構(gòu)件可以免受火焰的作用,隔墻板則可以起到隔熱的作用,而且在發(fā)生火災(zāi)的情況下,外部空氣保證了自然通風(fēng),起到了自然冷卻金屬構(gòu)件的作用,也是一種變相的防火屏障。使用混凝土與耐火磚完全封閉鋼構(gòu)件。混凝土與磚是天然的耐火材料,它們本身具有耐火性能,根據(jù)厚度的不同耐火極限也不同,因此可采用混凝土包裹或者耐火磚包裹。以使用混凝土或磚來包裹鋼構(gòu)件,使鋼構(gòu)件達(dá)到一定的耐火極限。上海浦東的世界金融大廈的鋼柱即

7、采用這種方法。但是,混凝土與磚的耐火極限隨著厚度的增加而增加,因此采用這種防火措施的鋼構(gòu)件通常身材臃腫占地較多,同時(shí)在一些構(gòu)件上的施工也較為困難,特別是鋼梁、斜撐等構(gòu)件。同時(shí)也不利于材料的經(jīng)濟(jì)節(jié)約,在要求達(dá)到通透輕盈效果的鋼結(jié)構(gòu)建筑中,采用這種保護(hù)方法是很困難的。耐火輕質(zhì)板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸鈣、蛭石、陶瓷纖維、巖棉、礫石這些耐火、無毒的物質(zhì),加工成板材以后,通過不同的構(gòu)造方法制成保護(hù)層。有采用軟性的陶瓷纖維氈纏繞在鋼構(gòu)件上的,有使用摻無機(jī)纖維硅鈣板、蒸壓輕質(zhì)混凝土板、無機(jī)纖維強(qiáng)化石膏板、擠壓成型水泥、預(yù)制混凝土板直接貼敷的板材保護(hù)的做法有直接包裹或貼敷、使用加固鐵件連接、軟性材料纏

8、繞等。（2）涂料型防火：涂料型防火的原理較為簡(jiǎn)單,通過涂抹耐火的涂料來抵抗火焰。通常防火涂料分為兩種:薄型和厚型,也可以說是膨脹型和非膨脹型。.薄型涂料(膨脹型涂料) :涂膜厚度為12 mm ,常溫下較穩(wěn)定,火災(zāi)時(shí)受熱起泡、膨脹數(shù)十倍,形成隔熱性能極佳的碳化層,保護(hù)鋼構(gòu)件不受火災(zāi)的毀損。這種耐火材料制成的保護(hù)層很薄,色彩多樣,裝飾性能極佳,適合于結(jié)構(gòu)外露的金屬建筑,有助于展現(xiàn)金屬構(gòu)件的力量美。.厚型涂料(非膨脹型涂料) :主要為無機(jī)絕熱材料,受熱不膨脹,自身有良好隔熱性,涂層厚度不等,可有750 mm ,對(duì)應(yīng)耐火極限為0. 53 h 以上,以蛭石、珍珠巖、礦物纖維為主要絕熱骨料,分為干、濕法施

9、工,現(xiàn)在也有混合施工法。防火涂料的選用有很多講究,如:適用于室內(nèi)的防火涂料不能用于露天結(jié)構(gòu)等,此處不作詳細(xì)介紹。在“9. 11”事件后,防火涂料的抗沖擊性能也得到專家們的普遍關(guān)注,但有關(guān)這方面的研究較少涉及,不能不說是個(gè)缺憾。另外,還有其他的一些防火措施,如:水冷卻法,即在空心截面的鋼柱內(nèi)充水,與設(shè)在高處或頂部的水箱相連,形成封閉的冷卻系統(tǒng)。受熱時(shí),鋼柱內(nèi)部產(chǎn)生水循環(huán),將熱量帶走,但是這種方法需特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),比較復(fù)雜,很少使用。美國匹茲堡的美國鋼鐵公司大廈就使用了這種防火方法。此外還有很多方法，如水冷卻法：將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網(wǎng)，其內(nèi)充滿含抗凍劑，防銹劑的水溶液，通過著火時(shí)的溫差作用

10、，使水溶液循環(huán)流動(dòng)，把熱量帶走；也可以設(shè)置自動(dòng)水淋裝置，在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)噴水，在鋼構(gòu)件表面形成一道致密的連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到防火保護(hù)作用。跟屏蔽型有些類似。2.2防火需要兼顧的值得注意的是露天鋼結(jié)構(gòu),必須選用適合室外使用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料選用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí),還應(yīng)注意下列問題:(1)不要把技術(shù)性能僅能滿足室內(nèi)的涂料用于室外。(2)不要輕易把飾面型防火涂料選用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。(3)不能選用有毒的涂料. 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的一種措施是外包層。就是在鋼結(jié)構(gòu)外表添加外包層，可以現(xiàn)澆成型，也可以采用噴涂法。現(xiàn)澆成型的實(shí)體混凝土外包層通常用鋼絲網(wǎng)或鋼筋來加強(qiáng)，以限制收縮裂縫，并保證外殼的

11、強(qiáng)度。噴涂法可以在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹砂泵漿以形成保護(hù)層，砂漿可以是石灰水泥或是石膏砂漿，也可以摻入珍珠巖或石棉。同時(shí)外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預(yù)制板，采用膠粘劑、釘子、螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上。3.選用恰當(dāng)?shù)姆阑鸱椒?、確保防火材料和施工質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)防火的保證對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取有效的保護(hù)，就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定的值，防止鋼構(gòu)件遇火發(fā)生變形塌落。目前常用的方法是在鋼結(jié)構(gòu)表面設(shè)置一層保護(hù)材料，如噴涂防火涂料、包裹耐火材料(混凝土、砂漿、巖棉等或用輕質(zhì)預(yù)制板、防火板)、設(shè)水噴淋系統(tǒng)，這些都能有效提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限，保證鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時(shí)的安全。在使用防火涂料時(shí)，應(yīng)

12、當(dāng)注意防火涂料和底層防腐涂料的相互匹配，不得與底層防腐涂料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以免影響防腐防火效果。但是一些施工單位為追求經(jīng)濟(jì)效益，粗制濫造，用“三無”防火涂料產(chǎn)品，使得一些工程雖然刷了防火涂料，但在火災(zāi)發(fā)生時(shí)起不到任何防火保護(hù)作用，所以要嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，在施工過程中認(rèn)真操作，加強(qiáng)監(jiān)督，確保施工質(zhì)量。業(yè)主加強(qiáng)職工防火意識(shí)，經(jīng)常開展防火知識(shí)的教育和培訓(xùn)，并在內(nèi)部制定必要的防火應(yīng)急方案，這樣一定能減少火災(zāi)事故發(fā)生。4.結(jié)束語目前，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑日趨增多，包括高層建筑，采用鋼結(jié)構(gòu)材料更為廣泛。這些建筑一旦發(fā)生火災(zāi)事故，火不是在短時(shí)間內(nèi)就能撲滅的，這就要求建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)，加大對(duì)建筑材料的防火保護(hù)，以增強(qiáng)其耐火極限，并在建筑內(nèi)部制訂必要的應(yīng)急方案，以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。參考文獻(xiàn)：1GB50016-2006建