淺談鋼結(jié)構(gòu)的防火性及防護(hù)措施

摘 要：建筑鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)被廣泛使用，是建筑行業(yè)的“寵兒”。相比于傳統(tǒng)的混凝土材料和砌體結(jié)構(gòu)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)。比如性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕強(qiáng)度高等。但它也具有導(dǎo)熱性強(qiáng)，防火性能差等缺點(diǎn)，所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑沒(méi)有采取任何防火保護(hù)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞。近年來(lái)，因其防火性能差而引發(fā)的災(zāi)害層出不窮，造成了十分嚴(yán)重的質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失。如何通過(guò)使用鋼的防火性以確保安全和降低經(jīng)濟(jì)損失，日趨成為一個(gè)重要的領(lǐng)域。基于此，該文通過(guò)了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，進(jìn)而得出了有效的措施加以防治。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；損失；防火性；措施

建筑鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)被廣泛使用，是建筑行業(yè)的“寵兒”。相比于傳統(tǒng)的混凝土材料和砌體結(jié)構(gòu)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕強(qiáng)度高、抗震性能好、占有面積小，使用面積大，并且在使用過(guò)程中易于改造，變動(dòng)比較容易、靈活。同時(shí)它的基礎(chǔ)造價(jià)低，節(jié)能還具有可回收性，因此屬于一種綠色建筑材料等等。但其導(dǎo)熱性強(qiáng)，防火性能差，其彈性模量和強(qiáng)度隨溫度的升高而下降迅速，承載能力也隨之下降。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑沒(méi)有采取任何防火保護(hù)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，甚至結(jié)構(gòu)整體倒塌。近年來(lái)，由于防火性能較差而引發(fā)的災(zāi)害層出不窮，造成了十分嚴(yán)重的質(zhì)量事故和經(jīng)濟(jì)損失。如何通過(guò)使用鋼的防火性以確保安全和降低經(jīng)濟(jì)損失，日趨成為一個(gè)重要的領(lǐng)域。基于此，文章通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火性進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，進(jìn)而得出有效的措施加以防治。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火性能

鋼的耐火性能較差，高溫下易于變形，受熱后強(qiáng)度下降很快，如鋼材在20 0C時(shí)強(qiáng)度為450Mpa，在到500℃左右，其強(qiáng)度下降到40%-50%，而到614°C時(shí)，鋼材強(qiáng)度就只有70Mpa，幾乎失去承載能力?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范對(duì)耐火等級(jí)做出了一些規(guī)定，根據(jù)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，將建筑物的耐火等級(jí)分為四級(jí)。未經(jīng)防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火等級(jí)僅為四級(jí)，不能滿足火災(zāi)情況下對(duì)建筑防火要求。一般火場(chǎng)溫度最高可達(dá)到1000°C，在這樣的高溫下，裸露的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)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。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的意義

鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間極限大于或等于規(guī)定的耐火時(shí)間極限，并使火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的溫度的最大值不超過(guò)鋼材的臨界溫度，從而可以延長(zhǎng)建筑被破壞的時(shí)間，以減少火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用，縮短災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)周期，使得因火災(zāi)引起的經(jīng)濟(jì)損失降到最低，并利于疏導(dǎo)被困人員和物資搶救，也使得因火災(zāi)引起的人員傷亡程度降到最低。

3 國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火現(xiàn)狀的研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)了制造業(yè)的空前繁榮，無(wú)論是大跨度的廠房、橋梁、體育館等大體積量建筑還是門窗、汽車等小體積量工具，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。因此鋼結(jié)構(gòu)必然會(huì)根據(jù)自身固有的特點(diǎn)和社會(huì)的需要逐步推廣

3.1 國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)防火研究現(xiàn)狀。國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)的防火研究大體可分為四個(gè)時(shí)期。第一時(shí)期：1928年Ngberg將火荷載的概念引入到結(jié)構(gòu)防火中，使結(jié)構(gòu)防火定量化。第二時(shí)期：1958年Kawagoe在火災(zāi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展與通風(fēng)條件有很大的關(guān)聯(lián)，他還建立了室內(nèi)熱量守恒方程，據(jù)此提出了燃燒速度與通風(fēng)系數(shù)之間成正比的概念，Kawagoe的研究成果對(duì)后來(lái)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)有很深遠(yuǎn)的影響，也為后來(lái)的計(jì)算機(jī)模擬奠定了基礎(chǔ)。第三時(shí)期：1964年。Been和1970年Magnusson在上述模型的基礎(chǔ)上，提出了多角型燃燒速度模型，發(fā)展并補(bǔ)充了隔間內(nèi)質(zhì)量平衡方程。第四時(shí)期：1983年Harmathy將構(gòu)件和隔間內(nèi)的總熱能作為衡量火災(zāi)是否嚴(yán)重性的指標(biāo)。將火災(zāi)看成是一種釋放到結(jié)構(gòu)上的能量正是源于這種思想。在材料的抗火性能方面，在火災(zāi)條件下鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能表現(xiàn)及鋼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的研究國(guó)外起步較早。

3.2 國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火研究現(xiàn)狀。我國(guó)是自20世紀(jì)90年代才開始進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火研究的，國(guó)家對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展給予了一定的支持，鼓勵(lì)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑，雖然鋼結(jié)構(gòu)抗火方面研究的較晚，也已研究出了許多有效而具體的防火措施，比如對(duì)防火涂料的創(chuàng)新上已有了重大突破。

4 加強(qiáng)建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火對(duì)策

4.1 需要考慮的因素。（1）安全性能，對(duì)人體是否有危害；（2）自身穩(wěn)定性和防火性；（3）施工技術(shù)的難易程度和效益的經(jīng)濟(jì)性；（4）鋼結(jié)構(gòu)自身材料特性及所處部位等等。

4.2 截流法。截流法的原理是采取一些有效的措施截?cái)嗷驕杌馂?zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫升不超過(guò)其臨界溫度。其做法是構(gòu)件表面設(shè)置一層具有特殊性能的保護(hù)材料，當(dāng)火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)，它產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料，再由保護(hù)材料傳給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用。通常情況下，我們可以將截流法細(xì)分為以下四種方法。噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

4.3 疏導(dǎo)法。疏導(dǎo)法目前主要是充水冷卻保護(hù)這一種方法，與截流法不同，疏導(dǎo)法允許熱量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法熱量走或消耗掉，同樣可使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起保護(hù)作用。疏導(dǎo)法同屏蔽法、包封法、噴涂法一樣，是一種被動(dòng)保護(hù)方法，疏導(dǎo)法是目前僅有的充水保護(hù)方法；理論上疏導(dǎo)法是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)最有效的方法，在有足夠供水的條件下，即使火災(zāi)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)也能永久保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的安全。

4.4 涂料法。

4.4.1 防火原理。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理有三個(gè)：一是防火涂層可以對(duì)鋼材起到一定的屏蔽作用，使鋼結(jié)構(gòu)不至于直接暴露在火焰高溫中；二是涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出的水蒸氣或其他不燃?xì)怏w，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用；三是涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成炭化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強(qiáng)度的降低，從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。

4.4.2 防火涂料的優(yōu)點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)多多，比如：（1）消弱火災(zāi)條件下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的塑性破壞，最大限度的防止鋼結(jié)構(gòu)的整體或局部坍塌，降低火災(zāi)造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的程度。（2）降低建筑鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)后的重建和修復(fù)的費(fèi)用，最大程度上減少鋼結(jié)構(gòu)使用功能在火災(zāi)后的恢復(fù)時(shí)間，以達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和適用性。（3）防火涂料的防腐性高，具有很好的物理防腐和電化學(xué)防腐作用，提高了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。（4）防火涂料的顏色穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生色變，透明性強(qiáng)。

4.4.3 防火涂料的種類。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的種類很多，通常根據(jù)高溫下防火涂料涂層變化分為膨脹壑和非膨脹型兩種。

4.5 耐火、耐候鋼。耐火、耐候性鋼是利用多種非燃性材料的防火板作為了保護(hù)層，將防火板附在鋼材料的外層。這種鋼材在溫度下降時(shí)，強(qiáng)度下降的比較緩慢，此外由于它的耐火性表較好，可以在施工時(shí)適當(dāng)減小保護(hù)層的厚度，甚至可以不涂防銹漆，這樣也可以節(jié)省一定的成本，目前被廣泛使用。

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作者簡(jiǎn)介：武心智（1997.03- ），男，山東肥城人，本科，研究方向：城市地下空間工程。