康利慧

摘要：鋼結(jié)構(gòu)以它獨特的優(yōu)點，在各類建筑場合都有非常廣泛的應用。由于鋼結(jié)構(gòu)耐火性差的特點，一旦發(fā)生火災往往都會導致建筑結(jié)構(gòu)失去完整性，而且穩(wěn)定性急劇下降。因此，必須加強鋼結(jié)構(gòu)防火保護，提高構(gòu)件耐火極限。本文對鋼結(jié)構(gòu)抗火設計方法的發(fā)展進行了探討。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；抗火設計；方法；發(fā)展

鋼結(jié)構(gòu)的建筑不但豐富了建筑結(jié)構(gòu)的形式，而且還為人們提供大量豐富多彩的建筑類型，就會給人們一種美妙視覺效果。同時，也為建筑的藝術(shù)發(fā)展提技術(shù)支撐。目前，隨著我國經(jīng)濟與技術(shù)的發(fā)展，人們對建筑的安全要求是越來越高了，對各種災害防范工作也是日益重視，特別是火災。加強鋼結(jié)構(gòu)的建筑材料耐火的性能，就使鋼結(jié)構(gòu)的建筑材料自身阻止火災的發(fā)生或者蔓延，這就是鋼結(jié)構(gòu)的防火保護研究與發(fā)展的重點。

一、鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的耐火極限分析

1.耐火極限的定義及規(guī)范

國內(nèi)外的建筑規(guī)范都對建筑的耐火性進行了等級劃分， 并對建筑構(gòu)件的耐火和防火做出了規(guī)定。而所謂的耐火極限，其實就是對建筑構(gòu)件按時間-溫度標準曲線進行耐火試驗， 而從其受到火的作用直到失去支持能力或失去隔熱作用為止， 經(jīng)歷的時間就為建筑構(gòu)件的耐火極限。按照國家的建筑構(gòu)件耐火極限規(guī)范，對鋼結(jié)構(gòu)柱和梁的耐火極限考察就是對其在受火條件下的穩(wěn)定性、完整性和隔熱性進行試驗。首先， 試件在穩(wěn)定性試驗中一旦發(fā)生垮塌或變形， 其梁或板構(gòu)件的最大撓度超過L / 20mm ，柱構(gòu)件軸向變形大于h / 100mm，則表明該試件失去支持力。其中， L 指的是梁跨， 而h 為構(gòu)件的初始受火高度。其次，在完整性試驗中，如果用于試驗的棉墊被引燃或背火面串火達10s以上， 或者背火面出現(xiàn)超過規(guī)定的裂縫， 則試件失去了完整性。再者，在隔熱性試驗中， 如果背火面平均溫度超過試件表面初始溫度或單點最高溫度達180℃ ， 則試件失去絕熱性。

2.構(gòu)件耐火極限的確定

由于不同的建筑的形式和功能不同，所以建筑的可燃燒性能、熱值和分布等內(nèi)容存在著一定的差異。所以，按照國家統(tǒng)一規(guī)定進行建筑的耐火極限的設計并不科學。因為這樣不僅容易造成預期的功能難以實現(xiàn)， 還容易導致消費投資成本的增加。而進行構(gòu)件的耐火極限的確定， 則可以優(yōu)化建筑構(gòu)件的防火設計， 繼而解決這些問題。就目前來看， 在進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限的確定時， 主要有兩種方法。一方面， 可以將建筑構(gòu)件在建筑承重體系中的重要性與樓板進行比較， 然后進行其耐火極限的確定。具體來講， 就是一旦構(gòu)件的重要性大于樓板， 則需要使其耐火極限高于樓板， 反之則小于樓板的耐火極限。另一方面， 根據(jù)真實火災的發(fā)展過程，可以采用可靠計算方法進行結(jié)構(gòu)整體失效概率的分析和計算。而想要使用這一方法，則需要使設計承載力大于等于荷載效應，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)也要大于等于所要求的安全指數(shù)。

3.影響構(gòu)件耐火性的因素

首先，火災荷載密度越大，建筑火災的發(fā)展速度將越快，而火災持續(xù)時間也會較長。而在這種情況下， 建筑構(gòu)件受的熱作用時間較長，構(gòu)件內(nèi)部溫度升高速度也將增加，本身的形變也會加大， 而其所需耐火時間則更長。其次， 空間通風條件、建筑圍護構(gòu)件性能、建筑空間高度和空間內(nèi)的消防系統(tǒng)等多個建筑空間條件都會影響到建筑構(gòu)件的耐火性能。比如，如果建筑內(nèi)部設有自動滅火設施， 建筑火災就有可能被控制或撲滅，繼而使構(gòu)件的耐火時間縮短。此外，鋼材強度、混凝土強度、構(gòu)件尺寸和保護層厚度等多個構(gòu)件性能也同樣會對構(gòu)件的耐火性能產(chǎn)生影響。

二、鋼結(jié)構(gòu)抗火設計的方法

1.外包層

就是在鋼結(jié)構(gòu)外表添加外包層，可以現(xiàn)澆成型，也可以采用噴涂法。現(xiàn)澆成型的實體混凝土外包層通常用鋼絲網(wǎng)或鋼筋來加強，以限制收縮裂縫，并保證外殼的強度。噴涂法可以在施工現(xiàn)場對鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹砂泵以形成保護層，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂漿，也可以摻入珍珠巖或石棉。外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預制板，采用膠黏劑、釘子、螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上。

2.屏蔽法

鋼結(jié)構(gòu)設置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里，只要增加少許耐火材料或不增加即能達到防火的目的。這是一種最為經(jīng)濟的防火方法。在鋼結(jié)構(gòu)的迎火面設置阻火屏障，將構(gòu)件與火焰隔開，阻止火災煙氣直接作用于鋼構(gòu)件。例如，鋼梁下面吊裝防火平頂，鋼柱內(nèi)側(cè)設置有一定寬度的防火板等。

3.涂抹防火涂料

將防火涂料涂覆于鋼構(gòu)件表面，這種方法施工簡便、重量輕、耐火時間長，而且不受鋼構(gòu)件幾何形狀限制，具有較好的經(jīng)濟性和實用性，是目前應用最多的鋼結(jié)構(gòu)防火保護手段。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的品種較多，通常根據(jù)高溫下涂層變化情況分膨脹型和非膨脹型兩大系列，按涂層厚薄、成分、施工方法及性能特征不同可進一步分成不同類別。

4.鋼結(jié)構(gòu)的水噴淋法防火

所謂的水噴淋法，就是在鋼結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)上部設置了水噴淋管網(wǎng)與噴頭。當鋼結(jié)構(gòu)的建筑發(fā)生了火災的時候，水噴頭受熱之后就會自動的打開向建筑構(gòu)件噴水了，這樣就使建筑構(gòu)件的表面形成了連續(xù)流動水膜，就可以帶走大量熱量，讓鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件溫度不會過高，這樣就可以提高結(jié)構(gòu)耐火極限。

5.澆筑混凝土或砌筑耐火磚

采用混凝土或耐火磚完全封閉鋼構(gòu)件。這種方法優(yōu)點是強度高、耐沖擊，但缺點是要占用的空間較大。例如，用C20 混凝土保護鋼柱，其厚度為5～10 cm 才能達到1.5～3 h的耐火極限。另外，施工也較麻煩，特別在鋼梁、水平支撐、柱間支撐上，施工非常困難。

6.包覆耐火輕質(zhì)板材

采用纖維增強水泥板、石膏板、硅酸鈣板、蛭石板等耐火輕質(zhì)防火板將鋼構(gòu)件包覆起來。防火硅酸鈣板和蛭石板重量輕、防火性能好。這類防火板由工廠加工，表面平整，裝飾性好，施工為干作業(yè)，用于鋼柱防火具有占用空間少、綜合造價低的優(yōu)點。

三、鋼結(jié)構(gòu)抗火設計的發(fā)展趨勢

隨著涂料工業(yè)向節(jié)能、低污染、高性能化、專業(yè)化方向發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料也向“5E”方向邁進，即提高涂膜質(zhì)量（Excellence）、方便施工（Easyof application）、節(jié)省資源（Economics）、節(jié)省能源（Energy saving）和生態(tài)平衡（Ecology）。與此同時，它在防火性、裝飾性和降低成本等方面也不斷取得較大的發(fā)展?？梢灶A見，今后鋼結(jié)構(gòu)防火涂料將向著超薄型、高耐候性、高裝飾性及環(huán)保型方向發(fā)展。另外，通過對國內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護現(xiàn)狀的分析，結(jié)合目前實際工程中存在的問題，今后鋼結(jié)構(gòu)防火保護技術(shù)的趨勢也有可能朝著防火產(chǎn)品預制化的方向發(fā)展，預制化的防火板和防火卷材將在工程中得到廣泛應用。這是因為預制化防火產(chǎn)品只需通過合成樹脂黏結(jié)或采用釘子螺絲等固定，使得承重（鋼結(jié)構(gòu)）與防火（預制化產(chǎn)品）的功能劃分明確，火災后修復簡便，且不影響主體結(jié)構(gòu)的功能，因而具有良好的復原性。另外，鋼結(jié)構(gòu)預制化防火產(chǎn)品完全由工廠預制，施工工藝簡單、質(zhì)量穩(wěn)定，且原廠和現(xiàn)場的檢測手段簡單可控，能有效地實現(xiàn)對工程質(zhì)量的監(jiān)督和控制作用，保證耐火性能。

總之， 耐火性差是限制鋼結(jié)構(gòu)應用的重要原因。所以，對鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件進行防火設計， 才能夠確保鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中得到更加廣泛的應用。

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