淺談鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)
馬海艷
摘 要：簡(jiǎn)述了鋼結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)，參考國內(nèi)外資料，論述了鋼結(jié)構(gòu)抗火防火保護(hù)的基本方法。并提出了今后工作中需大量研究的問題，為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性提供了參考。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)，防火保護(hù)，耐火保護(hù)
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。 鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比具有以下特點(diǎn)：1）鋼材材質(zhì)均勻，可認(rèn)為為理想的彈性材料，受力狀態(tài)簡(jiǎn)單明了。2）鋼材的塑性和韌性好，有利用提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。3）鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，自重輕，降低結(jié)構(gòu)的自振周期，減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力，降低基礎(chǔ)造價(jià)。4）鋼結(jié)構(gòu)制作周期短、施工速度快等。鋼結(jié)構(gòu)雖然有這么多優(yōu)點(diǎn)，但卻有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：不耐火。鋼材雖然是不燃材料，但在火災(zāi)高溫作用下，其力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度、彈性模量等卻會(huì)隨溫度升高而降低，在550℃左右時(shí)，降低幅度更為明顯，一般在15分鐘左右就會(huì)喪失承重能力而垮塌。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑物的火災(zāi)案例都證明，發(fā)生火災(zāi)后20分鐘以內(nèi)就把建筑物燒垮，最后形成一片廢墟。
1. 鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)方法。
　　由于鋼結(jié)構(gòu)耐火能差，在火災(zāi)高溫作用下很快失效倒塌，耐火極限僅15分鐘，若采取措施，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，使其在火災(zāi)時(shí)溫度升高不超過臨界溫度，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中就能保持穩(wěn)定性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取的保護(hù)措施，從原理上來講，主要可劃分為兩種：截流法和疏導(dǎo)法。
　　1.1. 截流法
　　截流法的原理是截?cái)嗷蜃铚�火�?zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫升不超過其臨界溫度。其作法是構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料，再由保護(hù)材料使給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。
• 　1.1.1. 噴涂法
　　噴涂法是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機(jī)防火涂料和無機(jī)防火涂料兩類，按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型兩類，薄涂型鋼結(jié)構(gòu)涂料涂層厚度一般為2～7mm，有一定裝飾效果，高溫時(shí)涂層膨脹增厚，具有耐火隔熱作用，耐火極限可達(dá)0.5～1.5小時(shí)，這種涂料又稱綱結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度一般為8～20mm，粒狀表面，密度較小，導(dǎo)熱系數(shù)低，耐火極限可達(dá)0.5～3.0小時(shí)，這種涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料。
　　鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理有三個(gè)：一是涂層對(duì)鋼基材起屏蔽作用，使鋼結(jié)構(gòu)不至于直接暴露在火焰高溫中。二是涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出的水蒸汽或其他不燃?xì)怏w，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。三是涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成碳化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強(qiáng)度的降低，從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。
　　薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要品種有：LB、SG—1、SB—2、SS—1鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要品種有：LG鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料、STI—A、JG276、ST—86、SB—1、SG—2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等。
　　在噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí)，噴涂的厚度必須達(dá)到設(shè)計(jì)值，節(jié)點(diǎn)部位宜適當(dāng)加厚，當(dāng)遇有下列情況之一時(shí)，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼結(jié)構(gòu)相連的鋼絲網(wǎng)，以確保涂層牢固。
　　——承受沖去振動(dòng)的梁
　　——設(shè)計(jì)層厚度大于40mm寸
　　——粘貼強(qiáng)度小于0.05MPa的涂料
　　——腹板高度大于1.5m的梁
　　噴涂法適用范圍最為廣泛，可用于任何一種鋼構(gòu)件的耐火保護(hù)。
　　1.1.2. 包封法
　　包封法就是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護(hù)層，將構(gòu)件包封起來，其具體做法有：
　1.1.2.1. 用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護(hù)層。所使用的材料有混凝土、輕質(zhì)混凝土及加氣混凝土等。這些材料既有不燃性，又有較大的熱容量，用作耐火保護(hù)層能使構(gòu)件的升溫減緩。由于混凝土的表層在火災(zāi)高溫下易于剝落，可在鋼材表面加敷鋼絲網(wǎng)，進(jìn)一步提高其耐火的性能。
　1.1.2.2. 用砂漿或灰膠泥作耐火保護(hù)層。所使用的材料一般有砂漿、輕質(zhì)巖漿、珍珠巖砂漿或灰膠泥、蛭石砂漿或石灰膠泥等。上術(shù)材料均有良好的耐火性能，其施工方法常為金屬網(wǎng)上涂抹上述材料。
　　1.1.2.3. 用礦物纖維。其材料有石棉、巖棉及礦渣棉等。具體施工方法是將礦物纖維與水泥混合，再用特殊噴槍與水的噴霧同時(shí)向底子噴涂，構(gòu)成海綿狀的覆蓋層，然后抹平或任其呈凹凸?fàn)�。上述方式可直接噴在鋼�?gòu)件上，也可以向其上的金屬網(wǎng)噴涂，且以后者效果較好。
　　1.1.2.4. 用輕質(zhì)預(yù)制板作耐火保護(hù)層。所用材料有輕質(zhì)混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸鈣成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述預(yù)制板包覆構(gòu)件，板間連接可采用釘合及粘合。這種構(gòu)造方式施工簡(jiǎn)便而工期較短，并有利工業(yè)化。同時(shí)，承重(鋼結(jié)構(gòu))與防火(預(yù)制板)的功能劃分明確，火災(zāi)后修復(fù)簡(jiǎn)便且不影響主體結(jié)構(gòu)的功能，因而具有良好的復(fù)原性。
　1.1.3. 屏蔽法
　　屏蔽法是把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，在鋼梁、鋼屋架下作耐火吊頂，火災(zāi)時(shí)可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火能力，而且這種方法還能增加室內(nèi)的美觀，但要注意吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應(yīng)嚴(yán)密，防止竄火。
• 1.1.4. 水噴淋法
　　水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)(或手動(dòng))開始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到保護(hù)作用。
　　由上述可知，這些方法的共同特點(diǎn)是設(shè)法減小傳到構(gòu)件的熱流量，因而稱之為截流法。
　1.2. 疏導(dǎo)法
　　與截流法不同，疏導(dǎo)法允許熱量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，同樣可使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護(hù)作用。
　　疏導(dǎo)法目前主要是充水冷卻保護(hù)這一種方法。該方法是在空心封閉截面中(主要是柱)充滿水，火災(zāi)時(shí)構(gòu)件把從火場(chǎng)中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件溫度便可保持在100℃左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)最有效的方法。該系統(tǒng)工作時(shí)，構(gòu)件相當(dāng)于盛滿水被加熱的容器，象燒水鍋一樣工作。只要補(bǔ)充水源，維持足夠水位，而水的比熱和氣化熱又較大，構(gòu)件吸收的熱量將源源不斷地被耗掉或?qū)ё摺?
　　冷卻水可由高位水箱或供水管網(wǎng)或消防車來補(bǔ)充。蒸氣由排氣口排出。當(dāng)柱高度過大時(shí)，可分為幾個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，以防止柱底水壓過大，為防止銹蝕或水的冰結(jié)，水中應(yīng)摻加阻銹劑和防凍劑。
　　水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱聯(lián)通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱，后者既能蒸發(fā)散熱，還能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導(dǎo)向非火災(zāi)區(qū)溫度較低的柱。
2 結(jié)語
1)現(xiàn)行的抗火設(shè)計(jì)方法是基于計(jì)算的構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，缺乏基于計(jì)算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)。改方法以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標(biāo)時(shí),基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)。即將結(jié)構(gòu)的主要功能作為整體承受荷載,火災(zāi)下結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件的破壞,并不一定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞,特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu),一般情況下結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞,將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,結(jié)構(gòu)仍具有一定繼續(xù)承載的能力。
2)考慮火災(zāi)隨機(jī)性的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)方法：結(jié)構(gòu)抗火的概率可靠度設(shè)計(jì)必須考慮火災(zāi)與空氣升溫的隨機(jī)性，有待發(fā)展
3)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度、重力荷載共同作用下的破壞機(jī)理和承載力計(jì)算模型研究。該研究是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的核心,工作量也最大。
4)抗火涂料的抗沖擊性研究。
5)缺乏火災(zāi)荷載分布統(tǒng)計(jì)。該項(xiàng)研究是鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)
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