淺論鋼架結(jié)構(gòu)的防火措施

李建朝 魏倫杰 王志寬

摘要:近年來,大跨度鋼架結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各類建筑物。通過對鋼構(gòu)件耐火性能分析,結(jié)合規(guī)范要求,對目前通用的幾種鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施作了比較。

關(guān)鍵字:鋼架結(jié)構(gòu) 防火 措施

近年來,我國經(jīng)濟(jì)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了建筑業(yè)的空前繁榮,一些大跨度鋼架結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,廠房、橋梁、住宅、體育館、展覽館、商場、超市等建筑越來越廣泛運(yùn)用輕鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑的主要形式,因具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,抗震性能好,施工周期短,建筑工業(yè)化程度高,空間利用率大,節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn),而被大量應(yīng)用。但鋼架結(jié)構(gòu)耐火性能差,要克服這一缺點(diǎn)就必須對其進(jìn)行防火處理。

一、鋼構(gòu)件的特點(diǎn)和鋼材性能

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金,碳大于2%時則為鑄鐵。制造鋼構(gòu)件所用的材料由碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼及低合金鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼由純鐵、碳及雜質(zhì)元素組成。低合金結(jié)構(gòu)鋼中,除上述元素外還加入合金元素,后者總量通常不超過3%。碳是形成鋼材強(qiáng)度的主要成分。碳含量提高,則鋼材強(qiáng)度提高,但同時鋼材的塑性、韌性、冷彎性能、可焊性及抗銹蝕能力下降。含碳量小于0.25%的為低碳鋼,鋼結(jié)構(gòu)用鋼的碳含量一般不大于0.22%。鋼材雖然是不燃燒體,但就其自身耐火性能來講,遠(yuǎn)低于磚石和鋼筋混凝土,鋼結(jié)構(gòu)建筑具有耐火性能差這個致命弱點(diǎn),在未進(jìn)行防火保護(hù)的情況下,火災(zāi)時,其強(qiáng)度會迅速下降。約在150℃以內(nèi)鋼材性能沒有很大的變化;430℃—540℃之間則強(qiáng)度急劇下降;600℃時強(qiáng)度很低不能承擔(dān)荷載。另外,250℃四周出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象,約260℃—320℃時有徐變現(xiàn)象。在自身溫度達(dá)到540℃左右時,鋼材的屈服應(yīng)力僅有常溫屈服應(yīng)力值的40%,使承載能力急劇下降,鋼結(jié)構(gòu)不可避免地發(fā)生變形,造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物一部分或全部垮塌毀壞。一般火場溫度達(dá)到800℃—1000℃,在這樣高的溫度下,裸露的鋼結(jié)構(gòu)會很快出現(xiàn)塑性變形,產(chǎn)生局部破壞,造成鋼結(jié)構(gòu)建筑整體倒塌。

二、鋼構(gòu)件的耐火等級

鋼的內(nèi)部晶體組織對溫度非常敏感,溫度的升高或者降低都會使鋼材性能發(fā)生變化?？偟内厔菔请S著溫度的升高,鋼材強(qiáng)度降低,變形增大。

耐火極限是指對任一建筑構(gòu)件按時間-溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行耐火實(shí)驗(yàn),從受到火的作用時起,到失去支持能力或完整性被破壞或失去隔火作用時止的這段時間。常用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限只有15min—30min。我國20世紀(jì)90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進(jìn)行了驗(yàn)證,確認(rèn)I36b、I40b標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min。

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中,將建筑物的耐火等級劃分為四級,劃分的依據(jù)是組成建筑物的構(gòu)件的燃燒性能和構(gòu)件最低的耐火極限。未經(jīng)防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火等級僅為四級,不能滿足火災(zāi)情況下對建筑防火的要求。所以,鋼結(jié)構(gòu)建筑物必須對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的防火保護(hù),克服其材料實(shí)際應(yīng)用中耐火性能的不足,達(dá)到規(guī)范對相應(yīng)使用性質(zhì)和建筑規(guī)模建筑物的耐火等級要求。

三、鋼架結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)

防止鋼架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生形變塌落,其措施是多種多樣的,關(guān)鍵是要根據(jù)不同情況采取不同方法,如采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu),降低熱量傳遞的速度以推遲鋼結(jié)構(gòu)的溫升時間等。我國的鋼結(jié)構(gòu)防火主要采用防火涂料、發(fā)泡防火漆、外包防火層、內(nèi)充水(水套)、屏蔽等方法。對于外露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如樓梯等多用涂料和漆料,采用10～40mm厚的涂料,耐火極限可達(dá)1.5～3h,而發(fā)泡漆的耐火時間一般為0.5h。對隱藏的構(gòu)件,珍珠巖防火噴涂或采用防火板是經(jīng)濟(jì)有效的方法,30～40mm厚的噴涂可實(shí)現(xiàn)1.5h的耐火極限,并兼有一定的防腐能力。暴露鋼構(gòu)件一般采用耐腐蝕涂料或油漆防腐,由底漆和面漆組成。目前防腐涂料的有效期為10～20年,所以要定期重新涂刷。鍍鋅壓型鋼板本身具有一定的防腐能力,在用于樓蓋時可借助于防火涂料解決防腐問題,但用于屋面和外墻面時還要涂以有機(jī)涂料,增加其耐久年限。

(一)防火涂料法

防火涂料又稱阻燃涂料,是指涂裝在物體表面,防止火災(zāi)發(fā)生、阻止火勢蔓延傳播或隔離火源,延長基材著火時間或增加絕熱性能以推遲結(jié)構(gòu)破壞時間的一類涂料。它不僅具有普通涂料的裝飾性,而且具有防腐、防銹、耐酸堿、鹽霧等性能。目前,我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要分為厚涂型和薄涂型兩類,即厚型(H類)和薄型(B類,包括超薄型)。

1.厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在火災(zāi)中利用材料的不燃性、低導(dǎo)熱性或涂層中材料的吸熱性,延緩鋼材的溫升,保護(hù)鋼材。這類防火涂料是用合適的粘結(jié)劑,再配以無機(jī)輕質(zhì)材料、增強(qiáng)材料組成,具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)。施工常采用噴涂,一般用在耐火極限≥2h的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中。高層民用建筑的柱、一般工業(yè)與民用建筑中的支承多層的柱的耐火極限均應(yīng)達(dá)到2.5h以上,需采用該厚型防火涂料保護(hù)。

2.薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受火時能膨脹發(fā)泡,以膨脹發(fā)泡所形成的耐火隔熱層延緩鋼材的溫升,保護(hù)鋼構(gòu)件。這類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般是用合適的乳液聚合物作基料,再配以阻燃劑、添加劑等組成。對這類防火涂料,要求選用的乳液聚合物必須對鋼基材有良好的附著力、耐久性和耐水性。其裝飾性優(yōu)于厚涂型防火涂料,一般耐火極限在2h左右。因此常用在≤2h耐火極限的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)工程中,常采用噴涂施工?？蓪Ω邔用裼媒ㄖ械牧?一般工業(yè)與民用建筑中支承單層的柱、梁、樓板以及屋頂承重構(gòu)件中的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)。另外,還有一類超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,該類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受火時膨脹發(fā)泡形成致密的防火隔熱層,該防火層延緩了鋼材的溫升,提高了鋼構(gòu)件的耐火極限。

(二)發(fā)泡防火漆法

防火漆是由成膜劑、阻燃劑、發(fā)泡劑等多種材料制造而成的一種阻燃涂料。防火漆與一般油漆相比,在物理性能方面基本一樣,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃燒,遇火時,能推遲火焰延燒到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。據(jù)試驗(yàn):將一般油漆與防火漆分別涂在木板上,干燥后,用同樣的火焰烘烤,涂一般油漆的木板,不到2分鐘就和油漆一道焦灼;而涂非膨脹惰氣型防火漆的木板,2分鐘后僅出現(xiàn)陰燃現(xiàn)象,靜置30秒后立即熄滅;涂膨脹惰氣型防火漆的木板,即使烘烤15分鐘,連陰燃現(xiàn)象也未出現(xiàn)。由此可見,用防火漆涂于物體表面,可以一定程度的阻止火勢蔓延,保護(hù)物體表面,從而為滅火戰(zhàn)斗爭取寶貴的時間。

1.防火漆施工工藝。(1)將鋼結(jié)構(gòu)表面除銹后,刷涂一層鐵紅或紅丹底漆,底層完全干燥后方可進(jìn)行下一工序。(2)使用前將涂料攪拌均勻,基材表面清除干凈,無油污、無塵土。(3)采用刷涂或噴涂,涂膜均勻,若涂料過稠可用專用稀料稀釋。間隔6小時后刷第二遍,濕涂覆量≥500g/平方米。(4)涂料未用完,須將桶蓋重新封嚴(yán)。

2.防火漆施工注意事項(xiàng)。(1)涂料所用溶劑為揮發(fā)性易燃物,施工時注意通風(fēng),嚴(yán)禁火種并采取必要的消防措施;(2)涂料未實(shí)干前,禁止與水接觸。

(三)外包防火層法

外包防火層法就是在鋼結(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?，F(xiàn)澆成型的實(shí)體混凝土外包層通常用鋼絲網(wǎng)或鋼筋來加強(qiáng),以限制收縮裂縫,并保證外殼的強(qiáng)度。噴涂法可以在施工現(xiàn)場對鋼結(jié)構(gòu)表面涂抹砂漿以形成保護(hù)層,砂漿可以是石灰水泥或是石膏砂漿,也可以摻入珍珠巖或石棉。同時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(yù)制板,采用膠粘劑、釘子、螺栓固定在鋼結(jié)構(gòu)上。

(四)內(nèi)充水(水套)法

空心型鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)充水是抵御火災(zāi)最有效的防護(hù)措施。這種方法能使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中保持較低的溫度,水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)循環(huán),吸收材料本身受熱的熱量。受熱的水經(jīng)冷卻后可以進(jìn)行再循環(huán),或由管道引入涼水來取代受熱的水。

(五)屏蔽法

鋼構(gòu)件設(shè)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(dá)到防火的目的。這是一種最為經(jīng)濟(jì)的防火方法。

四、結(jié)束語

今后,隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的進(jìn)程和鋼產(chǎn)量的不斷提高,大跨度鋼架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用會有很大發(fā)展。針對鋼結(jié)構(gòu)建筑消防安全方面存在的耐火等級先天較低的情況,應(yīng)鼓勵摸索研究鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)新措施,研究耐火性能好、時效長、粘結(jié)力高的鋼結(jié)構(gòu)防火材料以及金屬、非金屬鋼結(jié)構(gòu)復(fù)合防火材料,積極應(yīng)用建筑耐火鋼,進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能。

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