摘要：鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑和工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，然而，其在火災(zāi)中的脆弱性使得防火問(wèn)題成為至關(guān)重要的研究課題?，F(xiàn)全面闡述鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的性能特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，為鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；火災(zāi)脆弱性；防火性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-1227（2024）08-0113-03

鋼結(jié)構(gòu)憑借其高強(qiáng)度、輕重量、施工進(jìn)度快等顯著優(yōu)勢(shì)，在建筑工程、橋梁建設(shè)、工業(yè)廠房等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，鋼材在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能會(huì)急劇下降，這一特性使得鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)面臨極大的安全隱患。無(wú)保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅需15min即可達(dá)到500℃左右的高溫，此時(shí)鋼材強(qiáng)度衰退至常溫下的零值，隨后其強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能隨溫度的持續(xù)升高而快速衰退，因此，為確保建筑鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)耐火極限，采取有效的防火保護(hù)措施極其重要。

1 鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)特性

鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能相對(duì)較弱，因其熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，導(dǎo)致火災(zāi)中鋼構(gòu)件升溫較快，鋼材強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低，進(jìn)而影響鋼結(jié)構(gòu)的整體承載能力。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在高溫作用下，鋼材的強(qiáng)度、塑性、硬度等力學(xué)性能均會(huì)發(fā)生顯著的變化。

1.1 強(qiáng)度變化

隨著溫度的升高，鋼材的強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐步減弱的趨勢(shì)。在溫度較低時(shí)，即0～250℃之間，鋼材的強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，甚至在接近250℃時(shí)還會(huì)略有增強(qiáng)。然而，一旦溫度超過(guò)300℃，鋼材的強(qiáng)度便開(kāi)始顯著下降。達(dá)到500℃時(shí)，其強(qiáng)度降至原來(lái)強(qiáng)度的1/2；到600℃時(shí)，強(qiáng)度更是銳減至原來(lái)的1/6至1/7之間。這種強(qiáng)度降低的主要原因是，高溫導(dǎo)致鋼材晶粒的長(zhǎng)大和晶粒界面的移動(dòng)，使得金屬整體強(qiáng)度減弱。同時(shí)，高溫還激發(fā)了鋼材內(nèi)部的擴(kuò)散、恢復(fù)和再結(jié)晶等現(xiàn)象，進(jìn)一步削弱了鋼材的強(qiáng)度。

1.2 塑性變化

當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的塑性會(huì)發(fā)生改變。在較低的溫度范圍內(nèi)，鋼材的塑性變化相對(duì)較小。然而，隨著溫度的持續(xù)上升，鋼材的塑性逐漸增強(qiáng)。如在250℃左右時(shí)鋼材會(huì)出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，此時(shí)塑性有所下降。一旦溫度持續(xù)升高，超過(guò)這一范圍后，塑性又會(huì)顯著上升。這是因?yàn)楦邷厥沟娩摬膬?nèi)部的原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，位錯(cuò)移動(dòng)更加容易，從而提高了鋼材的塑性變形能力。

1.3 硬度變化

溫度對(duì)鋼材硬度的影響較為復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，鋼材的硬度通常會(huì)逐漸降低。在低溫階段，硬度變化相對(duì)較小。當(dāng)溫度超過(guò)一定值后，如300℃以上，硬度下降速度加快，主要是高溫促使鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如馬氏體分解、碳化物的轉(zhuǎn)變和聚集等，導(dǎo)致硬度降低。然而，對(duì)于含碳量較高的鋼材，在100℃左右回火時(shí)，硬度可能會(huì)略有升高，這是由于馬氏體中碳原子的偏聚及ε-碳化物析出引起的彌散硬化所致。

綜上，高溫下鋼材的物理和力學(xué)變化，使得鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中容易發(fā)生變形、失穩(wěn)，甚至坍塌。因此，為了避免建筑中鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險(xiǎn)，需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的防火設(shè)計(jì)，并采取可靠、安全、成本合理的防火保護(hù)措施。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)分類(lèi)

2.1 防火涂料

2.1.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料通常由無(wú)機(jī)絕熱材料組成，如蛭石、珍珠巖等，涂層厚度較大，一般在7～45mm之間。其防火原理主要是通過(guò)自身的低導(dǎo)熱性和多孔結(jié)構(gòu)，阻隔熱量向鋼結(jié)構(gòu)傳遞，從而延緩鋼結(jié)構(gòu)的升溫速度。厚型防火涂料具有隔熱性能好、耐火極限高的優(yōu)點(diǎn)，通常可達(dá)2.0～3.0h，甚至更長(zhǎng)，且耐久性較好，能在一定年限內(nèi)保持穩(wěn)定的防火性能，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的附著力強(qiáng)。然而，施工難度較大，需要多次涂抹，增加了施工周期，同時(shí)，涂層自重大，會(huì)增加鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，影響外觀。常適用于對(duì)耐火極限要求較高的大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，如高層鋼結(jié)構(gòu)建筑、甲乙類(lèi)工業(yè)廠房等。

2.1.2 薄型防火涂料

薄型防火涂料以有機(jī)樹(shù)脂為基料，添加膨脹阻燃劑等成分，涂層厚度一般在3～7mm之間。其防火機(jī)理在于，一旦發(fā)生火災(zāi)，涂層能夠迅速膨脹，形成緊密的隔熱炭層，阻斷熱量的傳遞。薄型防火涂料具有施工方便的優(yōu)點(diǎn)，僅需一次或兩次涂抹作業(yè)即可完成，且裝飾性較好，顏色選擇多樣，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的重量增加較小。然而，薄型防火涂料也存在一定的局限性，其耐火極限相對(duì)較低，一般僅為1.5～2.0h之間，耐久性有待提高，易受環(huán)境因素影響。常用于中、小型鋼結(jié)構(gòu)建筑，如多層鋼結(jié)構(gòu)辦公樓、小型工業(yè)廠房等。

2.1.3 超薄型防火涂料

超薄型防火涂料涂層厚度小于3mm，具有優(yōu)異的理化性能和防火性能。該涂料采用高效的膨脹阻燃體系，確保在火災(zāi)中迅速膨脹形成厚實(shí)的隔熱層。超薄型防火涂料具有施工簡(jiǎn)便、干燥快的優(yōu)點(diǎn)，通常數(shù)小時(shí)即可干燥，且裝飾性好，涂層表面光滑平整，能夠保持鋼結(jié)構(gòu)的美觀。值得注意的是，其耐火極限相對(duì)較短，一般在1.0～1.5h之間，因價(jià)格較高，在一定程度上增加了項(xiàng)目的建設(shè)成本。適用于對(duì)裝飾要求較高、耐火極限要求適中的鋼結(jié)構(gòu)建筑，如商場(chǎng)、展覽館、美術(shù)館等。

2.2 防火板材

防火板材通常由硅酸鈣板、蛭石板等無(wú)機(jī)材料制成，通過(guò)將防火板材固定在鋼結(jié)構(gòu)表面，形成隔熱保護(hù)層，阻止熱量向鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞。以某工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)屋頂為例，采用防火板材進(jìn)行保護(hù)后，即便周邊發(fā)生火災(zāi)，也能顯著保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的完整、安全。防火板材的優(yōu)點(diǎn)為耐火性能好、耐火極限高。然而，防火板材的安裝工藝復(fù)雜，需由專(zhuān)業(yè)人員施工，增加了建筑成本，且可能增加鋼結(jié)構(gòu)的自重。一般適用于對(duì)防火性能及外觀要求較高的鋼結(jié)構(gòu)建筑，如機(jī)場(chǎng)航站樓、體育館等。

目前，防火板材領(lǐng)域正持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)，不斷探索新型無(wú)機(jī)材料及復(fù)合材料的應(yīng)用，旨在進(jìn)一步提高防火板材的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、隔熱性能等關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，也有各種研究，以提高防火板材的安裝技術(shù)，改進(jìn)優(yōu)化防火板材的安裝工藝，提高安裝效率和質(zhì)量，降低安裝成本。

2.3 水冷卻系統(tǒng)

水冷卻系統(tǒng)通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置循環(huán)水管，利用水的高比熱容吸收熱量，降低鋼結(jié)構(gòu)的溫度。水冷卻系統(tǒng)的防火效果顯著，能夠迅速降低鋼結(jié)構(gòu)的溫度，也可根據(jù)火場(chǎng)情況靈活調(diào)節(jié)冷卻效果，但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝和維護(hù)成本較高，為確保系統(tǒng)的有效運(yùn)行，對(duì)建筑的給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了較高要求[1]。一般用于對(duì)防火要求極高的特殊鋼結(jié)構(gòu)建筑，如核電站、大型石化工廠等。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的應(yīng)用

以某高頻高速碳?xì)錁?shù)脂產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目生產(chǎn)車(chē)間為例，火災(zāi)危險(xiǎn)性類(lèi)別為甲類(lèi)，采用門(mén)鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合鍍鋁鋅金屬壓型屋面板與鍍鋁鋅金屬壓型鋼墻板設(shè)計(jì)方案，耐火等級(jí)一級(jí)，防火墻不燃性要求≥4.0h，柱不燃性要求≥3.0h，梁不燃性要求≥2.0h，一級(jí)耐火要求的甲類(lèi)車(chē)間危險(xiǎn)性高，防火防爆的要求高于一般項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)對(duì)項(xiàng)目的研判，采用鋼柱和鋼梁先刷2.5h防火涂料再側(cè)包3.0h防火板的技術(shù)方案，防火墻則采用雙層鋼板防爆墻，以達(dá)到防火防爆要求。以GB51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》臨界溫度法為依據(jù)，在設(shè)計(jì)耐火極限時(shí)間內(nèi)，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最高溫度不應(yīng)高于其臨界溫度。基于以上原理，使用PKPM鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行防火涂料涂層厚度計(jì)算。

該案例防火涂料類(lèi)型為非膨脹型，熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.10W/（m·℃），密度為680.0kg/m3，比熱容為100J/（kg·℃）。經(jīng)計(jì)算后，部分鋼柱涂層厚度為35.45mm，等效熱阻0.3545m2·℃/W，部分鋼梁涂層厚度18.21mm，等效熱阻0.1821m2·℃/W。

同時(shí)，該案例還采用了以硅酸鹽板為基材的防火板，經(jīng)國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（NFTC）檢測(cè)，該基材在93mm時(shí)耐火性能達(dá)到180min。該防火板在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的耐火性能測(cè)試見(jiàn)表1

此案例采用多種防火技術(shù)，將防火涂料與防火板材相結(jié)合，在鋼柱中采用35.45mm厚防火涂料再包覆93mm厚硅酸鹽防火板，既滿(mǎn)足了耐火時(shí)間要求，又達(dá)到業(yè)主要求建筑美觀的意見(jiàn)，充分發(fā)揮了不同材料的優(yōu)勢(shì)[2]。

4 鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 新型防火材料的研發(fā)

基于各行業(yè)對(duì)防火材料的高需求，材料生產(chǎn)廠家不斷致力于各類(lèi)新型防火材料研發(fā)中。高性能納米防火材料為鋼結(jié)構(gòu)防火材料的創(chuàng)新開(kāi)辟了新的途徑。納米級(jí)防火添加劑可以均勻分散于涂料或板材中，可顯著提升其防火性能。例如，納米氫氧化鎂、納米二氧化硅等材料，因其優(yōu)異的阻燃和隔熱性能而備受矚目。智能相變材料能夠根據(jù)溫度的變化自動(dòng)發(fā)生相變，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)迅速吸收大量熱量，從而有效保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)施。相變材料包括石蠟、脂肪酸等有機(jī)物，有望在未來(lái)得到更廣泛的應(yīng)用。陶瓷基復(fù)合材料，其在超過(guò)1500℃的高溫下，仍能保持良好的機(jī)械性能和防火效果，這類(lèi)材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)部件防火、核電站的關(guān)鍵設(shè)施防護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，高耐火性能的材料將在更多普通建筑和工業(yè)設(shè)施中得到應(yīng)用。

4.2 智能化火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)智能化防火系統(tǒng)也在不斷研發(fā)與更新，部分計(jì)算機(jī)火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)已能達(dá)到以下要求：

4.2.1 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)

利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，如光纖傳感器、紅外傳感器等，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些傳感器可以安裝在鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，可將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4.2.2 火災(zāi)預(yù)警與自動(dòng)滅火

結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建一套火災(zāi)預(yù)警模型，一旦監(jiān)測(cè)到異常溫度升高或其他火災(zāi)跡象，立即進(jìn)行分析，并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，自動(dòng)觸發(fā)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，包括但不限于啟動(dòng)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)等自動(dòng)滅火裝置，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)。

4.3 優(yōu)化防火設(shè)計(jì)

在防火設(shè)計(jì)中，積極采用協(xié)同設(shè)計(jì)理念，將防火需要與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，綜合考慮建筑的整體布局、結(jié)構(gòu)形式、材料選擇等多方面因素，提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能。例如，合理規(guī)劃防火分區(qū)，確保火災(zāi)時(shí)能夠有效控制火勢(shì)蔓延；設(shè)計(jì)清晰、便捷的疏散通道，保障人員安全撤離。

4.4 多學(xué)科融合研究與發(fā)展

4.4.1 材料科學(xué)與消防工程的融合

通過(guò)促進(jìn)材料科學(xué)家和消防工程師的緊密合作，深入探索防火材料的微觀結(jié)構(gòu)與其防火性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出具有更高耐火極限、更優(yōu)隔熱性能的新型防火材料提供理論基礎(chǔ)。

4.4.2 信息技術(shù)與防火技術(shù)的結(jié)合

借助物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計(jì)算等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)防火系統(tǒng)的全面智能化升級(jí)，通過(guò)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集并分析防火系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警及自動(dòng)維護(hù)等功能，提高防火系統(tǒng)的響應(yīng)速度及可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)的研究對(duì)于確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全具有至關(guān)重要的意義。目前，各類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)正處于不斷發(fā)展和完善中，未來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)防火材料性能的探索，力求在提升其耐久性、環(huán)保性和適用性的同時(shí)，降低其成本，增強(qiáng)其實(shí)用價(jià)值。通過(guò)持續(xù)研究與創(chuàng)新，有望為鋼結(jié)構(gòu)建筑提供更加堅(jiān)實(shí)、智能、高效的防火保障，為其在各類(lèi)建筑領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2]宋謙益.建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)規(guī)范及要點(diǎn)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2020，50（24）：1-10.