淺談對鋼結(jié)構(gòu)住宅抗火設(shè)計的研究

楊道直

華北水利水電大學(xué)（450000）

淺談對鋼結(jié)構(gòu)住宅抗火設(shè)計的研究

楊道直

華北水利水電大學(xué)（450000）

近年來，對鋼結(jié)構(gòu)抗火的研究一直是建筑安全領(lǐng)域的研究重點，而鋼結(jié)構(gòu)住宅又是未來將普遍采用的一種住宅結(jié)構(gòu)形式。文章簡要介紹鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展情況，以及鋼結(jié)構(gòu)抗火的一些設(shè)計計算方法及解決辦法。

鋼結(jié)構(gòu)住宅；抗火性能；設(shè)計方法

與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有強度高、質(zhì)量輕、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點，但是鋼結(jié)構(gòu)有一個不容忽視的缺陷，即抗火性能差。經(jīng)驗表明，當鋼結(jié)構(gòu)建筑未進行抗火設(shè)計且無任何保護措施時，一旦發(fā)生火災(zāi)，整個結(jié)構(gòu)在極短時間內(nèi)就會瞬時全部崩潰，因此，為防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下短時間內(nèi)剛度迅速下降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部破壞或整體坍塌，從實際工程的角度出發(fā)必須對鋼結(jié)構(gòu)進行抗火設(shè)計，采取合理的保護措施，保證其建筑耐火極限的要求。而住宅作為一種最廣泛的建筑形式，鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種重要的住宅結(jié)構(gòu)形式，很可能在以后會有飛速發(fā)展，因此，研究鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗火就成了今后研究的重要趨勢。

1 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

在國外，尤其是發(fā)達國家，鋼結(jié)構(gòu)建筑已得到廣泛應(yīng)用,如美國的鋼結(jié)構(gòu)建筑已占建筑總量的68%以上,日本為50%以上,歐洲國家一般都在20%～30%,韓國也達到了20%，1997年以來，我國的年鋼產(chǎn)量連年超過一億噸，居于世界首位。也正因如此，在中國發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑具有天然的優(yōu)勢。為此，國家有關(guān)部委制定了在建筑工程中推廣使用鋼結(jié)構(gòu)的一系列政策措施。

2 鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點

與一般結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅主要的優(yōu)點有：強度高，自重小，抗震性能好，施工不受季節(jié)影響，縮短工期，由于剛才的強度高，可增大住宅的使用面積，建材可重復(fù)利用，能有效減少建筑垃圾和環(huán)境污染。而其也存在一些缺點，比如抗腐蝕和耐火性差，造價相對較高。

3 高溫對鋼材力學(xué)性能的影響

鋼材雖為非燃性材料，耐熱性能高于鋼筋混凝土材料，但其耐火性能較差。無防護措施的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限只有15 min左右。高溫情況下，鋼材的屈服強度、極限強度和彈性模量均隨溫度的升高而降低，而且屈服臺階越來越小。當溫度在150℃以上時，就必須采取保護措施。在300～400℃時，鋼材已無明顯的屈服臺階，強度開始迅速下，且內(nèi)部晶體結(jié)合方式發(fā)生變化導(dǎo)致塑性和韌性下降，出現(xiàn)明顯的藍脆現(xiàn)象。溫度達到400℃時，鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半。當溫度達到600℃時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。但是一般火災(zāi)現(xiàn)場的溫度都會達到800～1 000℃，在這樣的高溫下裸露的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度會迅速降低，很快出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生局部破壞，最終造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物整體坍塌。

4 鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法及計算基本步驟

4.1 鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法

鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的要求用一個不等式可表示為：結(jié)構(gòu)抗火能力≥結(jié)構(gòu)抗火要求。根據(jù)實現(xiàn)該要求的手段，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法可分為如下幾種。

1）基于試驗的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法

該方法為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法，以試驗為依據(jù)，通過對標準構(gòu)件或?qū)嶋H構(gòu)件在規(guī)定荷載分布與標準升溫條件下的試驗，確定采取不同的防火措施。進行抗火設(shè)計時，根據(jù)構(gòu)件耐火極限的要求來確定防火措施。該方法簡單、直觀、應(yīng)用方便，但試驗很難準確模擬構(gòu)件荷載分布和大小、端部約束情況，以及構(gòu)件在火災(zāi)情況下的溫度應(yīng)力難以正確反映。

2）基于計算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法

20世紀70年代之后，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法轉(zhuǎn)為基于構(gòu)件計算的現(xiàn)代方法?；谟嬎愕慕Y(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法考慮了傳統(tǒng)基于試驗的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法的不足，利用結(jié)構(gòu)分析理論和熱傳導(dǎo)理論考慮構(gòu)件的荷載分布和大小、端部約束情況以及溫度內(nèi)力的影響，通過計算確定構(gòu)件的耐火極限。該方法可以以構(gòu)件為對象也可以以結(jié)構(gòu)整體為對象進行計算。目前規(guī)范主要以前者為對象進行抗火設(shè)計?；谟嬎愕慕Y(jié)構(gòu)整體極限承載能力的抗火計算方法以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目的，認為結(jié)構(gòu)的局部破壞引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分配，尚不影響結(jié)構(gòu)整體承載能力。

3）性能化抗火設(shè)計方法

該方法從兩個方面考慮來確定結(jié)構(gòu)的抗火需求。首先，依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處部位、人員安全和火災(zāi)經(jīng)濟損失最小為原則來確定結(jié)構(gòu)的抗火需求。其次，考慮實際火災(zāi)和空氣升溫的隨機性以及結(jié)構(gòu)整體性能對結(jié)構(gòu)抗火能力的影響。該方法以結(jié)構(gòu)抗火需求為目標，最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的實際抗火能力，且涉及物理學(xué)、空氣動力學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科的研究,是一種較為先進的設(shè)計方法，但仍處于初始研究階段。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火實用計算方法基本步驟

鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計以鋼構(gòu)件在耐火極限范圍內(nèi)滿足承載力為基礎(chǔ)來確定構(gòu)件的防火覆蓋層厚度。目前國內(nèi)大多采用構(gòu)件抗火計算方法進行鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計，該方法也被《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》CECS 2002006所采納。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火實用計算方法基本步驟可歸納為：

1）確定最不利火災(zāi)位置及計算構(gòu)件。最不利火災(zāi)位置一般為使結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件產(chǎn)生較高溫度的位置并根據(jù)構(gòu)件類型選擇最不利構(gòu)件。

2）根據(jù)構(gòu)件類型和防火材料類型確定防火被覆厚度。

3）采用火災(zāi)下鋼構(gòu)件升溫實用計算方法確定耐火極限條件下構(gòu)件的內(nèi)部溫度。

4）確定高溫情況下鋼材特性參數(shù)，計算構(gòu)件在外荷和溫度作用下的內(nèi)力。

5）采用下列最不利線性組合確定高溫情況下構(gòu)件荷載效應(yīng)。

6）根據(jù)構(gòu)件邊界條件進行耐火承載力極限狀態(tài)驗算，當驗算不符合要求時，調(diào)整被覆層厚度，重復(fù)步驟2）、6）。

5 鋼結(jié)構(gòu)住宅抗火的措施

5.1 提高鋼結(jié)構(gòu)住宅抗火性能的主要方法

1）單面屏蔽法

在鋼構(gòu)件的迎火面設(shè)置阻火屏障，將構(gòu)件與火焰隔開。這種在特殊部位設(shè)置防火屏障的措施是一種相對較經(jīng)濟的鋼構(gòu)件防火方法。主要用在鑄造車間等有高熱源建筑的特殊部位。

2）涂抹防火材料

將防火涂料涂在鋼材表面。這種方法簡便，重量輕，不受構(gòu)件形狀限制。

3）采用耐火輕質(zhì)板材作為防火外包層

采用纖維增強水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸鈣板將鋼構(gòu)件包裹起來。用于鋼柱防火時占用空間很少。

4）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，但是占用空間大，施工較為復(fù)雜，特別是在鋼梁、斜撐上。

5.2 防火涂料的選用

選用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)類型、耐火極限要求、工作環(huán)境等，選用原則如下：

1）裸露網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)、輕鋼屋架，以及其他構(gòu)件截面小、振動撓曲變化大的鋼結(jié)構(gòu)，當要求耐火極限在1.5 h以下時，宜選用薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，裝飾要求較高的建筑宜選擇超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

2）室內(nèi)隱蔽鋼結(jié)構(gòu)、高層等永久性建筑當要求耐火極限在1.5 h以上時，應(yīng)選用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

3）露天鋼結(jié)構(gòu)，必須選用適合室外使用的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)住宅是今后住宅發(fā)展的趨勢，也是未來住宅的重要形式，開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)住宅必將有廣闊的建筑市場，而研究鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能必將是其中重要的一步，也將對鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

[1]李國強.鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法的發(fā)展[J].鋼結(jié)構(gòu),2013,15 (49)：47-49.

[2]王小蓉.鋼結(jié)構(gòu)抗火分析與計算[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[3]李國強,蔣首超.鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[4]李秋起,徐敏.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料存在的一些問題及改進措施[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2008,11(6)：11-15.