張龍

摘要：建筑鋼材強度高、自重輕，加上鋼結(jié)構(gòu)具有制作簡便、施工工期短等優(yōu)點，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，因而在工業(yè)與民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。從鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的概述，燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過程，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的意義、原則，防火涂料的分類、選用原則等多個方面介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計思路和設(shè)計原則

關(guān)鍵詞：防火設(shè)計

一、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的概述

鋼結(jié)構(gòu)耐火性能很差，鋼材雖為非燃燒材料，但卻易導(dǎo)熱、怕火燒。未做防火處理的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)垮塌很快， 其耐火極限僅為15～20分鐘。因此防火是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要的部分。鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計是選定保護材料及所需厚度，從而使結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的升溫不超過其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性。防火設(shè)計的目標就是使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際耐火時間大于或等于規(guī)定的耐火極限。

二、燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因

1.燃燒是指可燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應(yīng)。燃燒必須包括三個基本要素，即可燃物質(zhì)、助燃物（空氣、氧氣或氧化劑）和火源（如高溫、火星或火焰等）。

2.人們所看到的燃燒現(xiàn)象，往往實際并不是物質(zhì)本身在燃燒（除了組成和結(jié)構(gòu)簡單的可燃氣體，如氫氣之外），而是物質(zhì)在受熱分解出的氣體或液體蒸氣在氣相中的燃燒，有機聚合物固體在燃燒時，一般均有下列過程：可燃固體發(fā)生熔融和熱分解，形成一個凝聚和熱分解區(qū)，析出可燃性氣體，并同時放熱;可燃氣體和助燃劑混合并受到進一步的加熱（預(yù)熱）;經(jīng)預(yù)熱的混合空氣達到燃點后開始燃燒，同時放出大量的熱，由燃燒時放出的熱量又反過來對可燃固體及其分解放出的氣體進行加熱，于是形成一個循環(huán)過程，使燃燒愈來愈猛烈。 當燃燒不可控制時，就會形成火災(zāi)。為了阻止燃燒的進行，必須切斷燃燒過程中的三個要素中的任何一個。

三、鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過程

建筑用鋼（Q235、Q345鋼等）在全負荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540oC左右。鋼材的力學(xué)性能隨溫度的不同而變化。當溫度升高時，鋼材的屈服強度（fy）、抗拉強度（fu）和彈性模量（E）的總趨勢是下降的。

a）鋼材溫度在150oC以下時，變化不大;

b）當溫度在250oC左右時，鋼材的fu反而有較大提高，但這時的相應(yīng)伸長率（δ）較低、沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時常呈常呈脆性破壞特征，稱為“藍脆”;

c）當溫度超過300oC時，鋼材的fu、fy和E開始顯著下降，而δ開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變;

d）當溫度超過400oC時，強度和彈性模量都急劇降低;

e）當溫度超過500oC時，其強度下降到40%～50%，鋼材的力學(xué)性能（屈服點、抗壓強度、彈性模量等）迅速下降，低于建筑結(jié)構(gòu)所要求的屈服強度。

四、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的意義

a）減輕鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞，避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中局部倒塌造成滅火及人員疏散的困難;鋼結(jié)構(gòu)的防火保護的目的是盡可能延長鋼結(jié)構(gòu)到達臨界溫度的過程，以爭取時間滅火救人。

b）避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中整體倒塌造成人員傷亡

c）減少火災(zāi)后的修復(fù)費用，縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)周期，減少間接經(jīng)濟損失。

五、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計原則

1.鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計應(yīng)符合國家《建筑設(shè)計防火規(guī)范》及《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》等的有關(guān)規(guī)定。建筑師應(yīng)根據(jù)規(guī)范慎重并合理地確定建筑的防火類別與防火等級。

2.鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計是在采用各種防火措施的條件下，能保證鋼結(jié)構(gòu)在規(guī)范所規(guī)定的耐火極限時間內(nèi)，其承載力仍不小于各種作用和組合效應(yīng)。

六、鋼結(jié)構(gòu)防火保護方法

1.截流法

是截斷或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)升高的溫度不超過其臨界溫度。做法是在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護材料，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量首先傳給這些保護材料，再由保護材料傳給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好的阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護作用。截流法分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

1.1 噴涂法：是用噴涂機具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護層。防火涂料涂層本身多孔輕質(zhì)，并且受熱后形成炭化泡沫層，能有效的阻止熱量迅速向鋼結(jié)構(gòu)傳遞;涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出水蒸氣或其他不燃氣體，也起到消耗熱量、降低火焰溫度和稀釋氧氣的作用。

1.2 包封法：是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護層，將構(gòu)件包封起來，具體做法如下：用現(xiàn)澆混凝土、砂漿和膠泥做耐火保護層。這種材料既有不燃性，又有較大熱容量，減緩構(gòu)件升溫效果很好。用礦物纖維（石棉、巖棉和礦渣棉）做耐火保護層。具體做法是將礦物纖維和水泥混合，用特殊噴槍與水的噴舞同時向底部噴涂，構(gòu)成海綿狀的覆蓋層。用耐火輕質(zhì)板作為防火外包層。鋼結(jié)構(gòu)防火用板材分為兩類：一類為密度大、強度高的薄板，如短纖維增強的各種水泥壓力板;另一類是密度較小的厚板，如輕質(zhì)硅酸鈣防火板及膨脹蛭石防火板。板材不同厚度與不同構(gòu)造的耐火性能、時限等，均應(yīng)有國家檢測機構(gòu)的檢測認定。防火板由工廠加工，它的表面平整，裝飾性好。可采用釘合及黏合劑黏合。

1.3 屏蔽法：把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，火災(zāi)時可使鋼結(jié)構(gòu)升溫大為延緩，大大提高鋼結(jié)構(gòu)耐火能力。

1.4水噴淋法：在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時，會啟動開始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護作用。

2.疏導(dǎo)法

是在熱量傳到構(gòu)件上后，設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護作用。主要是充水冷卻保護法，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時構(gòu)件采用空心封閉截面，在空心截面中充滿水，發(fā)生火災(zāi)時構(gòu)件把吸收的熱量傳給水，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100oC左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護最有效的方法。但由于對結(jié)構(gòu)設(shè)計有專門的要求，造成鋼結(jié)構(gòu)截面較大，目前實際應(yīng)用很少。

3.以上介紹的各種防火保護方法各有特點

采用防火涂料進行阻燃的方法被認為是有效的措施之一， 目前90%左右的鋼結(jié)構(gòu)防火工程做法是應(yīng)用防火涂料。

七、防火涂料的分類

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的類型可根據(jù)不同的方法來定義：從基材來分，可分為有機和無機防火涂料;根據(jù)防火機理分，可分為非膨脹型和膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料;根據(jù)涂層厚度來分，可分為厚型、薄型、超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

八、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選擇及注意事項

1.實際工程中選用的防火涂料必須有國家檢測機構(gòu)對其耐火性能認可的檢測報告及生產(chǎn)許可證。

2.民用建筑及大型公用建筑的承重鋼結(jié)構(gòu)宜采用防火涂料防火，由建筑師與結(jié)構(gòu)工程師按建筑物耐火等級及耐火時限，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》選用涂料的類別及構(gòu)造做法。

3.選用時宜優(yōu)先選用薄涂型防火涂料，選用厚涂型涂料時，其外需做裝飾面層隔護。裝飾要求較高的部位可選用超薄型防火涂料。

4.重要的鋼柱構(gòu)件采用防火涂料保護時，一般應(yīng)采用厚涂型防火涂料，且節(jié)點部位宜做加厚處理。當所用防火涂料的粘接強度小于0.05Mpa時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連接的鋼絲網(wǎng)。

5.防火涂料的施工應(yīng)由專業(yè)隊伍承擔，并按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》檢查驗收。

九、結(jié)束語

以上從鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的概述，燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過程，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計的意義、原則，防火涂料的分類、選用原則等多個方面介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計思路和設(shè)計原則我們在做鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計的時候要認真遵循，為用戶提供安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計。

參考文獻：

[1]《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》 CECS 24_90.

[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003.

[3] 《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006.