芻議鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計①

張強

摘 要：在建筑結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)因為具有強度高、韌性好和施工速度快等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。但是，在耐火性方面，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，繼而在一定程度上限制了其發(fā)展。而進行鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計，則可以使鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能得到加強。因此，基于這種認識，該文對鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的耐火極限進行了分析并在此基礎(chǔ)上，對鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計問題進行了分析，以便為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 構(gòu)件 防火 設(shè)計

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0093-02

作為建筑被動防火體系中的重要參數(shù)，建筑構(gòu)件的耐火極限的時間長短不僅決定了建筑的耐火安全等級，還將對建筑的防火保護投資和投資效益的比值產(chǎn)生影響。除此之外，耐火極限還決定了建筑在火災下的失穩(wěn)與倒塌時間，直接關(guān)系著疏散人員和救援人員的安全。因此，有關(guān)人員有必要對鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的耐火極限進行分析，以便更好的進行構(gòu)件的防火設(shè)計，繼而為人們的生命財產(chǎn)安全提供更多的保障。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的耐火極限分析

1.1 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[1]。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。

1.2 構(gòu)件的耐火極限的確定

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(shè)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(shè)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[2]。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(shè)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)。

1.3 影響構(gòu)件耐火性的因素

就目前來看，影響鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件耐火性能的因素有很多，主要包括了可燃物火災荷載密度、建筑空間條件和構(gòu)件性能。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(shè)有自動滅火設(shè)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[3]。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。

2 鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

在進行鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計時，需要遵循相應的設(shè)計原則。

首先，需要合理確定建筑的耐火等級。具體來講，就是根據(jù)相應的建筑設(shè)計防火規(guī)范和規(guī)定進行建筑的火災危險性的確定。而在此基礎(chǔ)上，則需要根據(jù)建筑的火災危險性進行建筑構(gòu)件的耐火等級的確定。例如，低壓控制柜屬于二類建筑，其耐火等級就應該為二級，其梁、柱、屋頂承重構(gòu)件的耐火極限則應不低于2小時、3小時和1.5小時。而一旦沒有在設(shè)計時進行耐火等級的確定，則將導致設(shè)計的失誤，繼而影響到建設(shè)的安全或成本。

其次，需要合理選擇鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火保護方法。就目前來看，常用的保護方法有噴涂法、包覆法和水淋冷卻法。而進行這些方法的利用，則可以進行鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限的提高。其中，噴涂法就是在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進行防火涂料的噴涂，以便在結(jié)構(gòu)表面形成保護層，繼而延緩局部失穩(wěn)時間。包覆法則是利用磚、混凝土和硅鈣板等材料進行構(gòu)件的包裹，以便保護鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此外，水淋法則是在鋼結(jié)構(gòu)上進行噴淋系統(tǒng)的布置[4]。而發(fā)生火災時，鋼結(jié)構(gòu)表面就會因噴淋而形成連續(xù)水膜，繼而進行自身的保護。在進行構(gòu)件的耐火極限設(shè)計時，則需要科學的進行這些方法的比較，然后根據(jù)構(gòu)件的耐火極限要求進行防火保護方法的選擇，繼而使得防火設(shè)計既安全又經(jīng)濟。

再者，需要考慮到人員疏散問題。具體來講，就是綜合考慮人員密度指標和鋼結(jié)構(gòu)的建筑特點，以便加強對安全疏散路線、距離和寬度的設(shè)計要求，繼而保證人員疏散時間小于構(gòu)件耐火極限。而這樣一來，才能保證火災發(fā)生時的人員安全逃生，繼而避免群死群傷的火災事故的發(fā)生。

2.2 設(shè)計方法

2.2.1 基于試驗的設(shè)計方法

基于試驗的鋼構(gòu)件防火設(shè)計是以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，需要對不同防火措施下的構(gòu)件耐火時間進行確定，以便進行相應的防火保護措施的選取。在設(shè)計的過程中，首先需要進行火災溫度時間變化模型的建立，以便驗證受可燃物種類和布置方式影響的構(gòu)件的耐火性能。而在此基礎(chǔ)上，則需要進行完整的火災溫度隨時間變化的曲線的設(shè)計，而該曲線包含了引燃源、火災增長、轟燃與充分發(fā)展、衰減與熄滅這四個階段[5]。其次，由于構(gòu)件的耐火極限分析需要根據(jù)耐火時間長短來確定，所以設(shè)計者需要進行火災荷載與荷載密度的確定。再者，為了進行最嚴重的火災的模擬，設(shè)計者還需要進行真實火災燃燒時間-溫度曲線的設(shè)計。而這一曲線則會受到著火區(qū)火災荷載密度、通風條件和房間形狀等因素的影響。在進行實際火升溫曲線計算時，則可以利用熱平衡方程。最后，設(shè)計者需要對實際火災與標準火災進行比較分析。而通過分析火荷載密度、通風條件和房間大小等因素，設(shè)計者則可以進行室內(nèi)火災全盛時升溫過程計算模型的建立，并最終選取相應的防火保護措施。

2.2.2 基于計算的設(shè)計方法

利用基于計算的構(gòu)件防火設(shè)計方法進行構(gòu)件的防火極限的確定，主要是對建筑用鋼的力學性能變化進行分析。而這樣一來，就能夠找到最經(jīng)濟的保護層厚度，繼而使構(gòu)件的防火設(shè)計更加簡便和經(jīng)濟。但是，使用這一方法之前，首先需要明確鋼結(jié)構(gòu)耐火極限狀態(tài)和防火設(shè)計要求。具體來講，就是在鋼結(jié)構(gòu)的軸心受力構(gòu)件截面屈服、成為可變機構(gòu)或喪失整體穩(wěn)定性時，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以認為是達到了防火承載力極限狀態(tài)[6]。而滿足的要求則包含了對構(gòu)件承載力、構(gòu)件耐火時間和構(gòu)件臨界溫度的要求。在此基礎(chǔ)上，則可以進行真實火災條件下的構(gòu)件耐火極限的計算。在這一階段，主要需要使用等效耐火時間的計算方法進行構(gòu)件耐火性能的確定。作為定義標準耐火試驗受火時間的手段，該方法可以進行火災條件下的構(gòu)件耐火時間的度量。而利用這種方法可以得出與房間火災中構(gòu)件臨界溫度相同的構(gòu)件臨界溫度，所以可以根據(jù)這一計算結(jié)果進行相應的構(gòu)件保護措施的采用。但需要注意的是，在進行該方法的運用時，需要進行火災荷載密度、封閉空間熱物理特性、可燃物不完全燃燒系數(shù)、自動噴水滅火系統(tǒng)作用系數(shù)和通風系數(shù)等多個系數(shù)的確定[7]。最后，由于真實火災溫度時間曲線變化較大，所以還要利用與真實火災發(fā)展特性等效的標準溫度-時間曲線的利用，以便完成構(gòu)件耐火極限的驗算。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的耐火保護

2.3.1 構(gòu)件耐火保護方法

建筑物的消防安全為系統(tǒng)工程，可以劃分成主動防火和被動防火兩大體系。其中，被動防火體系是根據(jù)燃燒原理采取措施，從而防止燃燒條件的產(chǎn)生或削弱燃燒條件的發(fā)展。就目前來看，被動防火措施主要有四種，即在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚、使用耐火材料進行構(gòu)件的包覆、噴涂防火涂料和在構(gòu)件內(nèi)部充水。而在進行這些方法使用的時候，則不僅要進行材料的耐火性能的考慮，還要進行材料的經(jīng)濟效果的考量，以便降低防火設(shè)計的成本。一般的情況下，通常會采用不燃的熱惰性材料或熱導率小的材料包敷在構(gòu)件外面的措施。此外，也可以采取充入循環(huán)水冷卻的方法進行構(gòu)件的防火保護。而主動防火體系則是采取主動防火措施進行構(gòu)件的防火保護[8]。具體來講，就是采取措施進行火災的及早探測，以便破壞已經(jīng)形成的燃燒條件，并進行燃燒的連鎖反應的終止。而這樣一來，就可以使火熄滅，并將火災控制在一定范圍內(nèi)，繼而達成減少火災危害的目的。就目前來看，排煙系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)都屬于主動防火措施，主要是在火災后消除高溫和火焰對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的威脅。而相較于被動防火保護，主動防火保護更加積極。通過在火災中進行室內(nèi)熱量的及時排除，并降低燃燒熱釋放率，則可以有效抑制火災的蔓延，并有可能在火災初期撲滅火災，繼而使構(gòu)件得到保護。此外，主動防火保護措施的采取，還可以為人員疏散創(chuàng)造較好的條件和環(huán)境。

2.3.2 耐火保護層及厚度

采用耐火保護層構(gòu)造進行鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火保護時，需要對耐火保護層結(jié)構(gòu)和厚度進行確定。就目前來看，常用的耐火保護層為水泥砂漿保護層。但是，由于水泥砂漿的附著力差，容易出現(xiàn)開裂剝落等現(xiàn)象，所以需要在鋼結(jié)構(gòu)外加焊鋼絲網(wǎng)，以便進行水泥砂漿保護層的固定。而在進行耐火保護層的厚度的確定時，除了根據(jù)構(gòu)件吸熱量進行厚度的計算，還需要滿足一定的耐火極限要求[9]。例如，在對方鋼管普通混凝土柱采用厚型防火涂料保護時，其保護層的厚度就應該隨著構(gòu)件直徑增加和長細比的減少而呈降低趨勢，以便滿足相應的技術(shù)規(guī)章要求。

3 結(jié)語

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(shè)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。而從該文的研究來看，在進行鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計時，需要先對構(gòu)件的耐火極限進行分析。而在此基礎(chǔ)上，則要遵循相應的設(shè)計原則，并進行適當?shù)脑O(shè)計方法的運用，以便更好的鋼件結(jié)構(gòu)的耐火保護。因此，該文對鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火設(shè)計問題進行的研究，對于促進建筑行業(yè)的發(fā)展具有一定的意義。

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