房紹方,次旺格桑

(1.山東公安消防總隊(duì)菏澤支隊(duì),山東菏澤 274000;2.西藏公安消防總隊(duì)拉薩支隊(duì),西藏拉薩 850000)

鋼結(jié)構(gòu)建筑防火問題研究探討

房紹方1,次旺格桑2

(1.山東公安消防總隊(duì)菏澤支隊(duì),山東菏澤 274000;2.西藏公安消防總隊(duì)拉薩支隊(duì),西藏拉薩 850000)

鋼材是本世紀(jì)最為創(chuàng)新的建筑材料,在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)、大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)等當(dāng)今現(xiàn)代建筑工程中有廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景。鋼材雖為非燃燒材料,但鋼不耐火,溫度為400℃時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半,溫度達(dá)到 600℃時(shí),鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性、鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)及破壞機(jī)理等,指出鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的重要性及目前現(xiàn)有的幾種鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法。

鋼結(jié)構(gòu); 防火; 被動防火法; 主動防火法

近年來,隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑市場的日益頻繁,鋼結(jié)構(gòu)體與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,在“高、大、輕”三個方面發(fā)展具有獨(dú)特優(yōu)勢,使得鋼鐵成了最佳建筑用結(jié)構(gòu)材料。因?yàn)榫哂袕?qiáng)度高、自重輕、性能穩(wěn)定、韌性好、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少、適合于批量生產(chǎn)等綜合優(yōu)勢,鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大跨度工業(yè)廠房、倉庫、橋梁、體育場館、超高度鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化的辦公樓、高聳的電視塔、還有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑造型之中。其應(yīng)用前景將會更加廣泛。但耐火性能差是鋼結(jié)構(gòu)的一個致命弱點(diǎn)。溫度為 400℃時(shí),鋼材的強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的二分之一,溫度達(dá)到 600℃時(shí),鋼材基本喪失了強(qiáng)度和剛度。所以對鋼結(jié)構(gòu)耐火性能、防火設(shè)計(jì)方法等問題進(jìn)行研究分析具有十分重要的理論和社會意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)舉例及其危害

2009年 2月 9日晚,北京市朝陽區(qū)東三環(huán)中央電視臺新址園區(qū)在建的附屬文化中心大樓工地發(fā)生火災(zāi),熊熊大火在三個半小時(shí)之后才得到有效控制,造成了幾十億元的經(jīng)濟(jì)損失。1998年 5月 5日,北京玉泉營環(huán)島家具城大火,結(jié)構(gòu)防火未達(dá)標(biāo),造成 13 000m2鋼結(jié)構(gòu)輕體建筑全部倒塌,造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到人民幣 2087萬。1996年江蘇省昆山市的一輕鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災(zāi),4 320平米廠房燒塌。國外也有許多這方面的實(shí)例。在 2001年的“9.11”恐怖襲擊事件中,由于飛機(jī)撞擊引起大火,致使紐約世界貿(mào)易中心兩棟 110層、高 411m、用鋼7.5×104t的鋼結(jié)構(gòu)大樓倒塌,造成 2 308人死亡。1984年美國費(fèi)哈里森大樓火災(zāi),鋼桁架結(jié)構(gòu)坍塌,且不同程度地殃及到附近 17幢建筑。1970年美國高達(dá) 50層的紐約第一貿(mào)易辦公大樓發(fā)生火災(zāi),樓蓋鋼梁被燒扭曲 10 cm左右。

2 建筑中鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)及破壞機(jī)理

鋼結(jié)構(gòu)具有耐腐蝕性能差和防火性差的缺點(diǎn)。腐蝕問題可以通過涂刷高性能防護(hù)漆、定期維護(hù)和研制提高鋼材本身的防腐蝕性來解決。鋼材耐熱不耐高溫,隨著溫度的升高,強(qiáng)度和彈性模量下降,伸長率和線膨脹系數(shù)增大。這體現(xiàn)了鋼材溫度升高時(shí)強(qiáng)度下降塑性提高。鋼結(jié)構(gòu)通常在600℃溫度左右強(qiáng)度就會降為零而失去承載能力,發(fā)生很大的形變,導(dǎo)致建筑物崩潰倒塌。一般不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限為 15m in左右,與建筑物耐火極限標(biāo)準(zhǔn)差距很大,也正是這一缺點(diǎn)制約了鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用和發(fā)展。

火災(zāi)下建筑鋼結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理可以從英國著名的BER Cradintgon鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出以下幾點(diǎn):(1)高溫使鋼材的彈性模量降低,結(jié)構(gòu)剛度下降;(2)高溫使材料強(qiáng)度降低,甚至熔化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降;(3)構(gòu)件內(nèi)部不均勻升溫,使構(gòu)件內(nèi)部以及整個建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不均勻的熱膨脹,從而使構(gòu)件內(nèi)部及整個結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。這3個方面的共同作用,導(dǎo)致建筑構(gòu)件變形增大、開裂、屈曲、破壞,甚至局部或整體倒塌。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑防火方法

鋼結(jié)構(gòu)直接應(yīng)用到建筑中,達(dá)不到國家規(guī)范要求的建筑構(gòu)件耐火等級,必然會遺留下先天性火災(zāi)隱患,危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。所以,必須對鋼結(jié)構(gòu)做防火處理?；馂?zāi)的發(fā)生機(jī)理非常復(fù)雜,單體建筑的防火設(shè)計(jì)是一個系統(tǒng)工程,一般分為防止起火及火勢擴(kuò)大系統(tǒng)、防煙與安全疏散系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。鋼結(jié)構(gòu)防火屬于結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)部分。由于整個系統(tǒng)具有統(tǒng)一性,鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)必須放在整個建筑防火系統(tǒng)中加以考慮。目前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對建筑物的耐火等級及相應(yīng)構(gòu)件的耐火等級做了具體的規(guī)定。我們在做鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)時(shí),要求鋼構(gòu)件的耐火極限大于規(guī)范要求的耐火極限。

鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)有多種方法,選擇鋼結(jié)構(gòu)的防火措施時(shí),應(yīng)考慮下列因素:鋼結(jié)構(gòu)所處部位、需防護(hù)的構(gòu)件性質(zhì)(如屋架、網(wǎng)架或梁、柱)、鋼結(jié)構(gòu)采取防護(hù)措施后結(jié)構(gòu)增加的重量及占用的空間、防護(hù)材料的可靠性、施工難易程度和經(jīng)濟(jì)性等。另一種為主動防火法,就是提高鋼材自身的防火性能或設(shè)置結(jié)構(gòu)噴淋。但目前采用防火涂料進(jìn)行阻燃的方法被認(rèn)為是有效的措施之一,鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在 90%鋼結(jié)構(gòu)防火工程中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。

3.1 被動防火法

被動防火法主要有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造防火保護(hù)和防火涂料保護(hù)等。主要目的是為鋼結(jié)構(gòu)提供了足夠的耐火時(shí)間。構(gòu)造防火方法主要有混凝土防火保護(hù)、防火板保護(hù)、金屬網(wǎng)外包砂漿保護(hù)和外包防火層等方法。防火涂料保護(hù)是針對外露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,通過涂刷防火涂料提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的方法。

3.1.1 構(gòu)造防火保護(hù)方法

3.1.1.1 混凝土或砌筑耐火磚防火保護(hù)

承重鋼結(jié)構(gòu)采取混凝土防火措施,以延長其耐火極限。用普通水泥混凝土將鋼結(jié)構(gòu)包裹起來,即我們通常意義上說的鋼管(筋)混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土可參與工作(如勁性混凝土結(jié)構(gòu)),也可以只起保護(hù)作用。混凝土厚 50mm時(shí),耐火極限可達(dá)3 h左右。

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚也是一種保護(hù)方法。上海外灘的浦發(fā)銀行(原匯豐銀行)、浦東世界金融大廈、上海信息大廈中部鋼結(jié)構(gòu)就使用的這種方法。這種方法比較可靠,但較適合于陰柱的保護(hù)。對于梁等其他構(gòu)件,施工比較麻煩且自重大;對于初期升溫很快的火災(zāi)也不太適用。這種保護(hù)方法在高溫作用下易發(fā)生崩裂現(xiàn)象。

3.1.1.2 防火板對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)

國外一些國家自 70年代中期以來,相繼研制成功硅酸鈣防火板,適用于鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)。作為鋼結(jié)構(gòu)直接包敷保護(hù)法的一種,防火板保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)早已在建筑工程中應(yīng)用。早期使用的防火保護(hù)板材主要有蛭石混凝土板、珍珠巖板、石棉水泥板和石膏板,還有的是采用預(yù)制混凝土定型套管。板材通過水泥砂漿灌縫、抹灰與鋼構(gòu)件固定,或以合成樹脂粘結(jié),也可采用釘子或螺絲固定。日本JIC公司 1984年即開始生產(chǎn)硅酸鈣防火板(KB防火裝飾板),最高使用溫度1 000℃。90年代中期德國和丹麥研制成功最高使用溫度達(dá) 1 100℃的硅酸鈣高溫防火板。國內(nèi)最近自行研制成功了GF和愛特等品牌新型鋼結(jié)構(gòu)硅酸鈣防火板,最高使用溫度可達(dá)1 100℃,耐火極限可達(dá) 4 h(30mm厚)。作為鋼結(jié)構(gòu)防火板材應(yīng)具備重量輕、強(qiáng)度高、隔熱性好、耐高溫、耐候性好等特點(diǎn)。

3.1.1.3 用金屬網(wǎng)外包砂漿保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)

這其中的金屬網(wǎng)起到骨架增強(qiáng)的作用。此外,還可用陶?；炷粱蚣託饣炷练雷o(hù),可預(yù)制成砌塊或現(xiàn)澆,防火效果亦十分理想。

3.1.1.4 外包柔性卷材防火層保護(hù)方法

主要是以硅酸鋁、陶瓷棉毯等隔熱保溫材料以卷材的形式直接包裹到需要進(jìn)行保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)上,其施工快捷迅速。目前柔性卷材防火保護(hù)在國外有相關(guān)的報(bào)道,國內(nèi)還很少見應(yīng)用實(shí)例。

3.1.1.5 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部充水保護(hù)法

這種方式依靠火災(zāi)時(shí)向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部充入循環(huán)水進(jìn)行降溫冷卻,達(dá)到保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的目的。它需要一套完善的火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動系統(tǒng)和足夠的水源與供水系統(tǒng),效果良好,但成本較高、火災(zāi)時(shí)增加結(jié)構(gòu)自重、且結(jié)構(gòu)內(nèi)部需作耐水腐蝕處理。這種方法國內(nèi)外均試驗(yàn)不多。

3.1.2 防火涂料保護(hù)法

防火涂料保護(hù)法就是在鋼結(jié)構(gòu)上噴涂防火涂料以提高其耐火極限。目前,我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要分為薄涂型和厚涂型兩類,即薄型(B類,包括超薄型)和厚型(H類)。薄型涂層厚度在 7mm以下,在火災(zāi)時(shí)能吸熱膨脹發(fā)泡,形成泡沫狀炭化隔熱層,從而阻止熱量向鋼結(jié)構(gòu)傳遞,延緩鋼結(jié)構(gòu)溫升,起到防火保護(hù)作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是:涂層薄,對鋼結(jié)構(gòu)負(fù)荷輕,裝飾性較好,對小面積復(fù)雜形狀的鋼結(jié)構(gòu)表面的施工比厚型要容易;厚型涂層厚度為 8～50mm,涂層受熱不發(fā)泡,依靠其較低的導(dǎo)熱率來延緩鋼結(jié)構(gòu)溫升,起到防火保護(hù)作用。兩者具有不同的性能特點(diǎn),分別適用于不同場合,但是,無論那種產(chǎn)品均應(yīng)通過國家檢測機(jī)構(gòu)檢測合格,方可選用。

總之,在選用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火保護(hù)材料時(shí),除需要考慮材料的耐火性能外,還要考慮材料的耐久性、耐候性、耐腐蝕性、抗反復(fù)荷載性能以及高溫穩(wěn)定性等,使其既能滿足功能要求,又具有一定的經(jīng)濟(jì)效果。

3.2 主動防火法

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主動防火保護(hù)就是提高鋼材自身的防火性能或設(shè)置結(jié)構(gòu)噴淋等建筑內(nèi)的主動消防措施,如采取排煙、自動滅火系統(tǒng),排除室內(nèi)熱量、抑制火災(zāi)增長和滅火,在火災(zāi)發(fā)生后從根本上消除高溫和火焰對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的威脅,以實(shí)現(xiàn)保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的方法。與被動耐火保護(hù)相比,它是一種更積極的保護(hù)方式。

實(shí)踐證明,在建筑物內(nèi)設(shè)置自動滅火設(shè)施,能有效地抑制火災(zāi)的蔓延擴(kuò)大或撲滅初期火。這樣可以降低室內(nèi)溫度,使建筑結(jié)構(gòu)得到保護(hù),并為人員疏散創(chuàng)造良好的條件與環(huán)境。因此,應(yīng)根據(jù)場所內(nèi)的可燃物性質(zhì)和可能的火災(zāi)規(guī)模、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和建筑的性質(zhì)與功能,選用相適用的自動滅火設(shè)施,能夠撲滅該場所內(nèi)的初期火而不致使火災(zāi)擴(kuò)大或蔓延時(shí),就可以適當(dāng)降低對鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的要求。但應(yīng)注意,鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)是對整個鋼結(jié)構(gòu)體系而言的,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)間的傳熱與內(nèi)力分布影響。此外,建筑物內(nèi)設(shè)置的滅火設(shè)施是否能在火災(zāi)時(shí)發(fā)揮作用,除應(yīng)按照規(guī)范和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求選用合格產(chǎn)品、保證安裝質(zhì)量外,還與日常是否有良好的維護(hù)與運(yùn)行密切相關(guān)。

4 結(jié)束語

雖然鋼結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的性能被廣泛應(yīng)用于建筑場合,但是由于其固有的不耐火的缺點(diǎn),我們在應(yīng)用中,要采取不同的方法手段來解決這個問題,關(guān)鍵是由場合、耐火極限要求、成本等因數(shù)綜合考慮,可以單獨(dú)采用一種方法,或采用幾種方法配合來達(dá)到我們的設(shè)計(jì)要求。目前的防火處理方法基本能滿足規(guī)范規(guī)定耐火時(shí)限要求,但是新的防火方法還有待于研究。

[1] 劉剛.鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的研究[D].天津大學(xué),2007

[2] 楊西娜.鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火性能研究[D].西安建筑科技大學(xué),2006

[3] 時(shí)虎,胡源.鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性和防火保護(hù)[J].中國公共安全(學(xué)術(shù)卷),2006(1)

[4] 閆百慧,侯靜.建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火處理[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009(2)

TU998.12

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2010-01-29

房紹方,男,工程師,研究方向:建筑防火。