基于建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能提升途徑研究

趙 培 仁

(山西省公安消防總隊(duì)培訓(xùn)基地，山西 太原 030009)

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·結(jié)構(gòu)·抗震·

基于建筑鋼結(jié)構(gòu)耐火性能提升途徑研究

趙 培 仁

(山西省公安消防總隊(duì)培訓(xùn)基地，山西 太原 030009)

結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，分析了提升鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的主要措施，介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的類別與選用原則，并針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在使用中存在的問(wèn)題，提出了具體的解決策略，從而提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性。

鋼結(jié)構(gòu)，耐火性能，防火涂料

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)主要由鋼柱、鋼梁等結(jié)構(gòu)組成，通常采用的是焊縫、柳鋼釘、螺栓等結(jié)構(gòu)方式。房屋的骨架結(jié)構(gòu)使用鋼材作為建筑材料，其主要性能特點(diǎn)是耐磨耐久、重量比較輕、安全便捷和工期短等優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷進(jìn)步，其應(yīng)用范圍也比較廣泛，比如商務(wù)大廈、酒店、圖書館、工業(yè)建筑等多功能建筑物。超高層在建設(shè)過(guò)程中，采用鋼結(jié)構(gòu)是必然的，這主要是混凝土結(jié)構(gòu)太重，會(huì)影響到建筑荷載；采用鋼結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)較輕，能夠托起更多的承重量。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性能的分析

鋼結(jié)構(gòu)雖然不具備燃燒性能，但是導(dǎo)熱性能非常好，自然狀態(tài)下導(dǎo)熱率高達(dá)58.2 W/(m·K)。如果鋼結(jié)構(gòu)遭遇火災(zāi)影響，鋼構(gòu)件溫度超過(guò)200 ℃后強(qiáng)度開始減弱，溫度達(dá)到350 ℃，500 ℃,600 ℃時(shí)，強(qiáng)度分別下降1/3,1/2和2/3，到500 ℃左右，其強(qiáng)度下降到40%～50%，當(dāng)溫度超過(guò)700 ℃時(shí)，構(gòu)件強(qiáng)度要減少90%以上。通常情況下，火災(zāi)發(fā)生5 min時(shí)間內(nèi)，火場(chǎng)中的高溫會(huì)上升到55 ℃。最典型的就是美國(guó)“9·11”事件，導(dǎo)致世貿(mào)大樓出現(xiàn)垮塌原因主要是受到高溫烘烤而倒塌的。鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)槭軣嶙冃尉薮?，而自身重量卻較重，就出現(xiàn)了垮塌現(xiàn)象。

依據(jù)GB 50016—2014建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范5.1.2條規(guī)定：

針對(duì)耐火等級(jí)為二級(jí)的民用建筑，它們的柱梁以及模板和屋頂承重結(jié)構(gòu)的耐火級(jí)別，不能小于2.50 h，1.50 h，1.00 h。當(dāng)前，我們新建的無(wú)論是民用還是工業(yè)建筑耐火等級(jí)均要求在二級(jí)以上。而試驗(yàn)表明：如果鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)完成后，沒有布置任何的防火設(shè)施，經(jīng)過(guò)0.25 h火燒后，就會(huì)出現(xiàn)大面積變形，因此，鋼結(jié)構(gòu)的防火性能研究，主要是對(duì)于其如何進(jìn)行防火保護(hù)入手，其實(shí)際效果具有非常好的推廣意義。

2 提升鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的主要措施

如果建筑物采用的鋼結(jié)構(gòu)作為主要支撐結(jié)構(gòu)，則必須要進(jìn)行必要的防火措施，以保證在高溫下性能不被改變。根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，主要有如下幾種方法。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)外表面均勻涂抹混凝土或者耐火磚

鋼梁、鋼柱的主要防火措施是在其結(jié)構(gòu)的外部纏繞一些鋼絲后，再涂抹一層混凝土，鋼結(jié)構(gòu)外表面就用混凝土外墻或者使用耐火磚將鋼構(gòu)件完全封閉起來(lái)，以對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。單由于保護(hù)層太厚，就會(huì)增加建筑的荷載力，因此，在當(dāng)前的建設(shè)過(guò)程中，使用并不是非常廣泛。

2.2 使用防火板對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行“包裝”

使用一些不燃材料進(jìn)行包裝，比如水泥板、石膏板以及硅酸鈣板等。防火板直接置于火災(zāi)高溫中。但是，在我國(guó)當(dāng)前建筑過(guò)程中，防火板的應(yīng)用處于啟始階段，在應(yīng)用的過(guò)程中該類應(yīng)用方式運(yùn)用較少。

2.3 水冷卻法

水冷卻法包含多個(gè)方面，其中以水噴淋和疏導(dǎo)兩種方法應(yīng)用最為廣泛。水噴淋方法的主要內(nèi)容是在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置一些噴淋設(shè)施，與市政網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，一旦發(fā)生火情，自動(dòng)或者手動(dòng)噴灑水，在鋼構(gòu)件外側(cè)形成一個(gè)完整的水膜，達(dá)到降溫的效果。疏導(dǎo)方法指的是將傳遞到鋼結(jié)構(gòu)件上的溫度通過(guò)一定的方法及時(shí)傳導(dǎo)出去，保證鋼結(jié)構(gòu)件的溫度不會(huì)達(dá)到其極限溫度，進(jìn)而保護(hù)其不備損壞。雖然水冷卻法從技術(shù)上可行性較強(qiáng)，但是實(shí)際工作中使用的數(shù)量非常少。

2.4 表面噴涂防火材料

在鋼結(jié)構(gòu)外表面涂上一層具有防火性能的材料，從而將鋼結(jié)構(gòu)件與外界火源隔離開，避免其受到外部熱源的傷害，也就保證其不會(huì)出現(xiàn)大面積塌陷現(xiàn)象。

上述四種方法比較得出，噴涂防火涂料的方法施工最簡(jiǎn)便，成本低廉，可以根據(jù)構(gòu)件不同進(jìn)行工作，使用范圍比較廣，工程效率也比較高。所以，本文將重點(diǎn)以噴涂防火涂料作為主要研究對(duì)象，總結(jié)出最佳的防火方案。

3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的運(yùn)用

3.1 防火涂料的類別

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的種類非常多，但是可以大致概括為：以無(wú)機(jī)材料為主的厚型非膨脹涂料、有機(jī)材料為主要組成的薄型涂料以及超薄型膨脹涂料等三種。厚型非膨脹涂料的噴涂厚度一般在10 mm～40 mm，耐火極限可達(dá)0.5 h，甚至需要更長(zhǎng)時(shí)間。厚型防火涂料的主要成分一般是無(wú)機(jī)材料，由于其防火性能極佳，且經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出，其可靠性較強(qiáng)，但是整體質(zhì)量較高，涂料的顆粒也比較大，外表面不美觀，造成整體建筑物外形不能達(dá)到工程要求，所以此種方法通常使用在不暴露在外的表面上。薄型膨脹涂料，其通常情況下的厚度在3 mm～10 mm之間，該種材料受熱后會(huì)膨脹，進(jìn)行在其表面形成一個(gè)耐火層，防止鋼結(jié)構(gòu)表面溫度過(guò)高，保護(hù)其不被損壞。這種涂料一般使用的是乳膠聚合物再加之阻燃劑和添加劑而成。超薄型涂料主要是指厚度在3 mm的涂料，其在受外界熱量影響時(shí)，會(huì)形成一個(gè)外表隔熱層，是近年來(lái)才發(fā)明的新技術(shù)。其可以選擇噴涂、刷涂或者滾涂的施工方式，多用在耐火不超過(guò)2 h的鋼結(jié)構(gòu)上。與其他兩種材料相比較來(lái)說(shuō)，其更具有粘度細(xì)、使用便捷以及外觀非常美觀等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的品種選用

CECS 200∶2006建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范第9.1.3條規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)如何選擇防火涂料，遵循以下幾個(gè)條件：

1)高層建筑或者其他隱藏的位置，必須保證耐火極限在1.5 h以上，一般使用非膨脹型防火涂料。

2)室內(nèi)或者其他需要裝修的部分，可以選擇耐火極限在1.5 h以內(nèi)的，多選擇膨脹型涂料。

3)如果要求耐火極限必須在1.5 h以上時(shí)，或者室內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)，此時(shí)不應(yīng)選擇膨脹型防火涂料。

4)露天建筑應(yīng)根據(jù)環(huán)境選擇防火涂料，并且在施工完成后的一年內(nèi)，涂料性能不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的侵蝕受到限制。

5)復(fù)層涂料混合使用，底層必須能夠與防銹漆搭配使用，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的防銹功能。

6)膨脹型防火涂料在開始使用前，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的耐火試驗(yàn)，確定合格后方能進(jìn)行使用。

CECS 24∶90鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)和防火涂料時(shí)，應(yīng)遵循以下幾個(gè)方面：

1)室內(nèi)外露結(jié)構(gòu)或者有裝飾性要求的結(jié)構(gòu)部分，要選在耐火性能在1.5 h或者以下的，通常使用的是薄型防火涂料。

2)室內(nèi)隱蔽結(jié)構(gòu)、高層建筑或者工業(yè)廠房，一般選擇耐火極限超過(guò)1.5 h的防火涂料，一般是厚型涂料。

3)露天結(jié)構(gòu)要選擇能夠在外部使用的涂料。

不管依據(jù)什么原則選擇防火涂料，都應(yīng)該遵循以下原則：

1)使用安全，無(wú)毒無(wú)害；

2)與鋼結(jié)構(gòu)部分融合在一起；

3)選擇能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)預(yù)定的耐火極限；

4)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件遇火發(fā)生變形后，防火涂料還應(yīng)該保持原有形態(tài)，性能不會(huì)發(fā)生變化；

5)有效降低工程成本。

4 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用問(wèn)題

4.1 市場(chǎng)亂象多，不合格產(chǎn)品猖獗

就目前來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料市場(chǎng)非?；靵y，存在大量的不合格產(chǎn)品，當(dāng)這些產(chǎn)品流入到建筑工程中時(shí)，必然會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)涂料的驗(yàn)證時(shí)間非常長(zhǎng)，投入資金比較多，風(fēng)險(xiǎn)也比較大，所以在工程驗(yàn)收時(shí)，通常是進(jìn)行涂料的厚度檢測(cè)。因此，當(dāng)生產(chǎn)、銷售企業(yè)將樣品送到國(guó)家防火檢測(cè)中心檢測(cè)時(shí)，往往與其銷售的產(chǎn)品完全不同。市場(chǎng)管理機(jī)制也存在很大的缺陷，對(duì)于那些生產(chǎn)、銷售不合格產(chǎn)品的企業(yè)懲罰力度不夠，違法成本低。目前很多地方在工程驗(yàn)收時(shí)，都要求其提供具有國(guó)家檢測(cè)資質(zhì)的防火涂料檢測(cè)報(bào)告，但是因?yàn)闄z測(cè)部門利益關(guān)系，并沒有根據(jù)國(guó)家規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)論是檢測(cè)樣品、數(shù)量還是種類，都存在較大偏差，有的檢測(cè)機(jī)構(gòu)還會(huì)提供一些虛假報(bào)告。

4.2 偷工減料，給工程帶來(lái)安全隱患

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性能與其噴涂厚度有著很大關(guān)系，在進(jìn)行施工時(shí)，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)噴涂，保證其能夠達(dá)到國(guó)家規(guī)定的防火標(biāo)準(zhǔn)。如果在進(jìn)行建筑物裝修時(shí)破壞了防火涂料，必須要進(jìn)行補(bǔ)救措施，保證其達(dá)到預(yù)定效果。目前市場(chǎng)上包工包料的涂料價(jià)格在20元/m2～60元/m2都有，價(jià)格低廉的部分必然存在偷工減料、以次充好的現(xiàn)象。

5 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收

在實(shí)踐過(guò)程中，為了能夠保證鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用要求，能夠滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的相應(yīng)規(guī)定，在實(shí)踐過(guò)程中，除抓好防火涂料的生產(chǎn)，銷售源頭管控以外，做好施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督驗(yàn)收也非常重要，相關(guān)單位和部門應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，保證質(zhì)量達(dá)標(biāo)。對(duì)工程驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)遵循以下幾個(gè)方面。

5.1 薄型防火涂料的具體要求

1)厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)無(wú)漏涂、裂縫等現(xiàn)象，如果出現(xiàn)裂縫，寬度必須保證在0.5mm以內(nèi)。

3)涂層應(yīng)牢固附著在鋼結(jié)構(gòu)表面，無(wú)鼓包、脫層現(xiàn)象。

4)涂層外觀符合要求，表面平整度較高。

5.2 厚涂層涂料必須遵循的要求

1)涂層厚度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。如果厚度不達(dá)標(biāo)，必須保證達(dá)到在規(guī)定范圍的85%，同時(shí)長(zhǎng)度范圍不能超過(guò)1 m，間隔5 m范圍內(nèi)不能出現(xiàn)相同的地區(qū)。

2)涂層接縫部門嚴(yán)密，鋼結(jié)構(gòu)部分無(wú)裸露。

3)涂層施工完畢后不能有裂縫，如果存在，其寬度應(yīng)控制在1 mm范圍內(nèi)。

4)涂層與內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合牢固，無(wú)鼓包和松散現(xiàn)象。

5)涂層表面無(wú)乳突。有具體外觀要求時(shí)，應(yīng)保證外觀美觀，母線不直度和失圓度必須控制在8 mm以內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，在建筑領(lǐng)域中，鋼結(jié)構(gòu)已成為建設(shè)的重要組成內(nèi)容，并且隨著建筑高度的不斷升高，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而為了能夠提升公共安全性能，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性能進(jìn)行研究，已然成為當(dāng)前建筑工程師需要解決的問(wèn)題。在實(shí)踐過(guò)程中，不管我們是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的生產(chǎn)者、銷售者，還是使用方、施工方，尤其是監(jiān)管和驗(yàn)收部門，在工作的過(guò)程中，需要本著對(duì)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)高度安全的態(tài)度嚴(yán)格把關(guān)，確保施工質(zhì)量。

[1] GB 50016—2014，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2] CECS 200∶2006，建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范[S].

[3] CECS 24∶90，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 黃 瀅,萬(wàn) 琳.鋼結(jié)構(gòu)防火問(wèn)題探析[J].江西科技師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(5)：15-18.

Analysis on the improvement of fire resistance of steel structure building

Zhao Peiren

(ShanxiProvincialPublicSecurityFireBrigadeTrainingBase，Taiyuan030009,China)

Combining with the experience, the paper analyzes the main measures for promoting the fireproof performance of the steel structures, introduces the classification and selection principle for the fireproof coating, and points out the solutions according to the problems of the fireproof coatings in practice, so as to improve the safety of the steel structure buildings.

steel structure, fireproof performance, waterproof coating

1009-6825(2016)31-0044-02

2016-08-23

趙培仁(1973- )，男，高級(jí)工程師

TU391

A