浅谈钢结构建筑防火设计

浅谈钢结构建筑防火设计

作者：张展文

来源：《中国科技博览》2013年第15期

摘要：钢结构因具有强度高、重量轻、韧性好、施工速度快等优点，被广泛应用于建筑结构中，但耐火性能差是钢结构的一个致命弱点。温度为400\"C时，钢材的强度将降至室温下强度的二分之一，温度达到600℃时，钢材基本丧失了强度和刚度。所以对钢结构耐火性能、防火设计方法等问题进行研究分析具有十分重要的理论意义和社会意义。 关键词：建筑防火 钢结构 【中图分类号】TU393 一.钢结构火灾特点

钢结构建筑的梁、柱、屋架是建筑的骨架，它的安全性直接关系到整幢建筑的安全。钢材虽然是不燃材料，但其耐火性能很差，随着温度的变化，其力学指标会发生很大的改变，承载力和平衡稳定性会随温度升高而大幅度下降。钢结构在温度达到350，500，600℃时；其强度分别下降1/3，，1/2，2/3。在高温条件下，其内部应力也会发生改变，使钢结构承重体系出现问题：按理论计算，在全负荷下，钢结构失去平衡稳定性的临界温度为500℃。一般火场温度在几分钟就达到800—1000℃左右，在这样的高温条件下，裸露的钢结构很快就会出现塑性变形，产生局部损坏，大约15min内就会造成钢结构整体失效倒塌。 二.钢结构在遇火时的措施 （一）膨胀的漆覆盖法

将膨胀漆用喷涂、刷或者抹的方式在处理过的构件的表面形成保护膜，最高可达到2小时的耐火时间。膨胀漆防火材料的覆盖层在遇高温时能自然的膨胀成泡沫状，从而形成一层厚度可达原防火层厚度数十倍的隔热层，从而刚氏钢构件的升温速率。但这种方法不适合与潮湿环境，而仅适于在干燥的室内环境。 （二）采用防火板的隔离法

将防火材料板用机械的方法环绕的固定在钢构件四周，一般会做成箱状，从而使构件与周围的火环境隔离，来斛氏构件受热的速度，使得构件在防火时效内不会达到它的极限温度。大部分产品的耐火时间可达4小时。因为防火板可以批量生产，因此具有品质保证、厚度一致且干净无污染等特点。但是不适于较细的结构复杂的施工。 （三）水泥砖的填充法

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对于H型钢柱，在其翼缘以及腹板间空隙处填入水泥砖米降低构件的表面曝火面积，并使的截面上产生不同温度区域，进而达至j降低构件受热的速率及提高抗火性的目的。只采用这种方j去可达到30分钟左右的耐火时间，若需更高抗火时效，就须对暴露的钢构件的表面进行其它防火处理。 （四）喷涂法

这种方法用专门的设备把一定厚度的防火涂料喷涂在钢结构构件的表面，从而来进行防火隔热保护，防止其在火灾中迅速的升温造成挠曲变形塌落。其防火嚎理有：（1）涂层起屏蔽的作用，隔离火焰，使得钢构件不会直接的暴露在火焰及高温中；（2）涂层吸熟后的部分物质分解，放出水蒸汽或者其他的不燃的气体，从而刚氐火焰温度以及燃烧的速度：（3）涂层多孔轻质或者受热膨胀形成炭化的泡沫层，热导率低，防止热量向钢基材迅速的传递，增加钢基材从受热温度升高到极限温度的时间，提高了其耐火极限。这种方法造价较低、拖工迅速、复杂的结构也较易覆盖，抗火时间最高可达4小时。但喷涂的表面不平整，较影响美巩因此常用于较隐蔽的钢构件。

三、钢结构的防火保护设计措施 （一）钢结构防火保护设计方法

主要方法有以下几种：（1）包封法；（2）屏蔽法；（3）水冷却法；（4）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，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：①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。②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

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一定的耐火极限。上海浦东的世界金融大厦的钢柱即采用这种方法。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。①薄型涂料（膨胀型涂料） ：涂膜厚度为1～2 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。薄型耐火涂料的构成很简单，经过对钢构件的基底清理和涂完防锈漆（底漆） 之后，涂刷具有耐火性的耐火底衬（中间涂层） ，接着涂敷外保护层（外饰层） 就可以了。耐火底衬在常温下稳定，一旦受热就会起泡和膨胀，形成含有气态成分的、绝热的碳化层。耐火底衬由四种材料制成： 1）触媒，通常是聚磷酸铵； 2）碳素源及碳水化合物等； 3）树脂或粘结剂； 4）发泡剂。受热时，碳素源与从触媒放出的无机酸相结合，形成碳化层，在粘结剂溶化的同时，发泡剂发生分解，产生二氧化碳、氨、水蒸气等气体，粘结剂变成泡沫状，将碳化层鼓起，形成达到漆膜原有厚度几十倍的含有气态的绝热层。耐火底衬的漆膜厚度的大小决定了金属构件不同的耐火时间。最近，从有关资料获悉，有一种高强混凝土也可以用来做钢结构的防火涂料，它的厚度相当于薄型防火涂料的厚度，依靠混凝土自身的耐火强度来支持钢结构，可以使用喷涂法施工。②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7～50 mm ，对应耐火极限为0. 5～3 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。

（二）要充分考虑人员疏散问题

由于钢结构建筑自身存在的弱点，在合理防护的基础上，设计时还要充分考虑人员疏散的因素.将人员密度指标和钢结构建筑的特点综合起来考虑，加强对安全疏散路线、疏散距离、疏散宽度的设计要求，保证人员疏散时间小于建筑构件的耐火极限.确保火灾时人员能安全逃生，以最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

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结束语：随着钢结构技术的不断发展，钢结构的应用会越来越广泛，钢结构建筑的规模会越来越大，其防火设计愈加重要。在运用中要根据钢结构的使用场合、耐火极限要求和成本等因素，采取合理有效的保护措施，保证其能够达到设计要求，充分发挥防火保护作用.避免不必要的人员伤亡和财产损失。 参考文献：

[1]赵风华，黄金林钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社.2005：337. [2]GB50016-2006 建筑设计防火规范.

[3]王学谦.建筑防火[M].中国建筑工业出版社.2000.1