郭 可

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西太原 030002)

0 引言

眾所周知，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強度高、韌性好、工期短、施工污染小等自身優(yōu)點。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，鋼材總產(chǎn)量大幅提高，建筑業(yè)對現(xiàn)代建筑提出了越來越廣、越來越高的設(shè)計要求，鋼結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

然而，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限低，耐火性能差。與其具有的優(yōu)點相比，其缺點同樣明顯。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師往往僅關(guān)注于鋼材的受力優(yōu)勢，而忽視了防火的相關(guān)設(shè)計，給建筑物在實際使用過程中帶來了安全隱患。近年來，美國“9·11”以及央視新址等火災(zāi)事件已經(jīng)給建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計敲響了警鐘。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的必要性

鋼材通常在450℃～650℃溫度中就會失去承載能力，發(fā)生很大的形變，導致鋼柱、鋼梁彎曲，結(jié)果不能繼續(xù)使用。一般不加保護的鋼構(gòu)件的耐火極限僅為15 min左右。采取有效的防火保護，可減輕火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的破壞，延遲鋼結(jié)構(gòu)達到臨界溫度的過程，為人員疏散和消防滅火爭取了寶貴時間，很大程度避免了人員傷亡和財產(chǎn)損失。

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師常常忽視防火設(shè)計，隨意套用幾個設(shè)計說明，不能做到下功夫去了解防護原理和措施，沒有認識到鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的重要性，這樣做的結(jié)果將大大降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范已明確對防護和隔熱提出了要求。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)嚴格遵照規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，做好建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施

要做好鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計，首先應(yīng)當了解目前較為常用的鋼結(jié)構(gòu)防火方法，從而在設(shè)計中做到措施得當，心中有數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)的防火措施多種多樣，要根據(jù)防護部位、建筑要求、防護材料可靠性以及施工成本等因素采取不同方法，總體來說可將防火方法歸為噴射防火涂料法、外包耐火保護層法、屏蔽法及水噴淋法等方式。

噴涂防火涂料施工簡便，且不受幾何形狀及部位的限制，應(yīng)用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計，防火涂料在90%的鋼結(jié)構(gòu)工程中發(fā)揮著重要作用。外包耐火保護層法通常采用混凝土、防火板等材料作為耐火保護層，受到鋼材幾何形狀及部位等因素的影響，且占用了較多的建筑室內(nèi)空間，因此外包法應(yīng)用范圍受到很大限制。

屏蔽法通常用于鋼屋蓋的防火，通過屋蓋下的耐火吊頂來延緩下部火災(zāi)造成鋼屋蓋的升溫。水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水網(wǎng)，火災(zāi)中，自動啟動噴水至鋼構(gòu)件表面，阻隔火災(zāi)帶來的升溫，該法作為建筑防火的輔助措施由設(shè)備工程師確定，并與其他防火方法共同起到防火保護的作用?，F(xiàn)將這些方法列表見表1，以供設(shè)計參考。

表1 各種防火措施的特點比較

這些方法形式雖然不同，但其工作原理一致，就是要截斷和阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，使鋼構(gòu)件在規(guī)定時間內(nèi)升溫不超過臨界溫度，從而起到防護的作用。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計

針對目前建筑鋼結(jié)構(gòu)防火絕大多數(shù)以噴涂防火涂料為主，本文主要研究防火涂料的設(shè)計。

3．1 鋼構(gòu)件耐火極限的確定

建筑師應(yīng)根據(jù)建筑物功能、重要性、類別、層數(shù)及建筑部位等因素確定建筑物的耐火等級。結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)建筑物的耐火等級，依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》確定鋼構(gòu)件的耐火時限。建筑物耐火等級所要求的承重鋼構(gòu)件耐火時限見表2。

表2 鋼構(gòu)件的耐火時限 h

3．2 防火涂料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料根據(jù)涂層的厚度可分為超薄型、薄型和厚涂型三種，結(jié)構(gòu)設(shè)計師可會同建筑師根據(jù)耐火極限、適用部位以及裝飾要求等依照表3確定涂料的種類。

表3 防火涂料的類別

3．3 涂層厚度的選擇

防火涂料是依靠涂層的厚度來保證規(guī)定的耐火極限的。依據(jù)CECS 24∶90鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，涂層的厚度可按以下方法確定:

1)直接選擇有代表性的型鋼作防火涂料耐火試驗，根據(jù)實測的耐火極限確定待噴涂層的厚度。本法適用于所有類型的防火涂料。2)根據(jù)標準件防火涂料耐火試驗數(shù)據(jù)，倒算出不同規(guī)格鋼構(gòu)件的同種防火涂料涂層的厚度。本法適用于厚型防火涂料。倒算公式如下:

其中，T1為待噴防火涂層的厚度，mm;T2為標準件達到規(guī)定耐火極限時的耐火試驗涂層厚度，mm;W1為待噴鋼材的質(zhì)量，kg/m;W2為耐火試驗中標準件鋼材的質(zhì)量，kg/m;D1為待噴型鋼防火涂層接觸面周長，mm;D2為標準件型鋼防火涂層接觸面周長，mm;K 為系數(shù)，鋼梁取1，鋼柱取1．25。

其中 W1/D1≥22，T1≥9 mm，耐火極限不小于1 h。

舉例說明:某鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火等級一級，其中某根鋼梁斷面為H500×200×10×16，擬選用厚型防火涂料防火，現(xiàn)要求確定其涂層厚度(標準件斷面HM300×200，耐火極限達到2 h，耐火試驗中選用的厚型防火涂料涂層厚度為10 mm)。

首先可以根據(jù)上述信息，依據(jù)表2，確定待噴鋼梁的耐火極限為2 h。W1=89．6 kg/m，D1=1 780 mm，W2=57．3 kg/m，D2=1 384 mm，代入公式得到T1=7．4 mm，所以待噴涂層厚度確定為9 mm。

3．4 防火設(shè)計中的注意事項

1)噴涂防火涂料之前，應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕要求做好表面除銹工作，并噴涂底漆。底漆不應(yīng)與防火涂料產(chǎn)生化學反應(yīng)。如防火涂料同時具有防腐蝕功能并能達到相關(guān)規(guī)范要求，可除銹后直接噴涂。

2)設(shè)計說明中應(yīng)注明“防火涂料必須有國家檢測機構(gòu)的耐火性能檢測報告和消防監(jiān)督機關(guān)頒發(fā)的生產(chǎn)許可證，方可選用。”

3)當結(jié)構(gòu)可能受到熾熱融化金屬的侵害時，應(yīng)采用磚和耐熱材料做成的隔熱層加以保護;當結(jié)構(gòu)的表面長期受輻射熱達到150℃以上或在短時間內(nèi)可能受到火焰作用時，應(yīng)采取有效的防火措施(如加隔熱層或水套等)。

4)重要的鋼柱應(yīng)采用厚涂型防火涂料，其節(jié)點部位宜加厚處理。當防火涂料粘結(jié)強度不大于0．05 MPa時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng)。

5)承重鋼梁構(gòu)件采用厚涂型防火涂料時，其重要節(jié)點部位宜加厚處理。當防火涂料粘結(jié)強度不大于0．05 MPa時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);受振動作用的梁，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);涂層厚度不小于40 mm的梁，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);梁腹板高度超過1．5 m時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng)。

6)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，為方便噴涂防火涂料，宜采用實腹式截面，不宜采用雙角鋼或雙槽鋼組合帶節(jié)點板的斷面。

7)室內(nèi)隱蔽鋼結(jié)構(gòu)，高層全鋼結(jié)構(gòu)及多層廠房鋼結(jié)構(gòu)，當規(guī)定其耐火極限在2 h及以上時，應(yīng)選用厚涂型防火涂料。

4 結(jié)語

近年來，頻繁的火災(zāi)事故一次次地警示著廣大建筑從業(yè)人員:“堅韌”的鋼結(jié)構(gòu)也有“脆弱”的一面。通過總結(jié)經(jīng)驗和吸取教訓，我們越來越直觀、越來越清晰的認識到建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護的必要性和重要性。因此，鋼結(jié)構(gòu)項目承建各方應(yīng)加強溝通并達成共識，將防火保護作為一項重要工作來抓，并做到相互監(jiān)督、相互提醒。

鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計作為項目中先行和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到建筑物在后期使用中的安全性和可靠性。這就要求廣大設(shè)計人員充分了解建筑物的特點，熟知防火保護措施和設(shè)計原理。在此基礎(chǔ)上遵照相關(guān)規(guī)范的具體要求，將最為合理且高效的防火設(shè)計呈現(xiàn)于“藍圖”。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］GB 50016-2006，建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］．

［3］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］．

［4］CECS 24∶90，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］．

［5］王松巖，焦 紅．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用實例［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007．