鋼結構建筑防火問題研究探討

房紹方,次旺格桑

(1.山東公安消防總隊菏澤支隊,山東菏澤 274000;2.西藏公安消防總隊拉薩支隊,西藏拉薩 850000)

鋼結構建筑防火問題研究探討

房紹方1,次旺格桑2

(1.山東公安消防總隊菏澤支隊,山東菏澤 274000;2.西藏公安消防總隊拉薩支隊,西藏拉薩 850000)

鋼材是本世紀最為創新的建筑材料,在高層建筑鋼結構、大跨度空間鋼結構、輕鋼結構等當今現代建筑工程中有廣泛應用及發展前景。鋼材雖為非燃燒材料,但鋼不耐火,溫度為400℃時,鋼材的屈服強度將降至室溫下強度的一半,溫度達到 600℃時,鋼材基本喪失全部強度和剛度。本文介紹了鋼結構建筑的火災危險性、鋼結構的缺點及破壞機理等,指出鋼結構防火保護的重要性及目前現有的幾種鋼結構防火保護方法。

鋼結構; 防火; 被動防火法; 主動防火法

近年來,隨著市場經濟的發展和建筑市場的日益頻繁,鋼結構體與鋼筋混凝土結構相比,在“高、大、輕”三個方面發展具有獨特優勢,使得鋼鐵成了最佳建筑用結構材料。因為具有強度高、自重輕、性能穩定、韌性好、安裝容易、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環境污染少、適合于批量生產等綜合優勢,鋼結構被廣泛應用于大跨度工業廠房、倉庫、橋梁、體育場館、超高度鋼與混凝土組合結構的現代化的辦公樓、高聳的電視塔、還有結構復雜的建筑造型之中。其應用前景將會更加廣泛。但耐火性能差是鋼結構的一個致命弱點。溫度為 400℃時,鋼材的強度將降至室溫下強度的二分之一,溫度達到 600℃時,鋼材基本喪失了強度和剛度。所以對鋼結構耐火性能、防火設計方法等問題進行研究分析具有十分重要的理論和社會意義。

1 鋼結構建筑火災舉例及其危害

2009年 2月 9日晚,北京市朝陽區東三環中央電視臺新址園區在建的附屬文化中心大樓工地發生火災,熊熊大火在三個半小時之后才得到有效控制,造成了幾十億元的經濟損失。1998年 5月 5日,北京玉泉營環島家具城大火,結構防火未達標,造成 13 000m2鋼結構輕體建筑全部倒塌,造成直接經濟損失達到人民幣 2087萬。1996年江蘇省昆山市的一輕鋼結構廠房發生火災,4 320平米廠房燒塌。國外也有許多這方面的實例。在 2001年的“9.11”恐怖襲擊事件中,由于飛機撞擊引起大火,致使紐約世界貿易中心兩棟 110層、高 411m、用鋼7.5×104t的鋼結構大樓倒塌,造成 2 308人死亡。1984年美國費哈里森大樓火災,鋼桁架結構坍塌,且不同程度地殃及到附近 17幢建筑。1970年美國高達 50層的紐約第一貿易辦公大樓發生火災,樓蓋鋼梁被燒扭曲 10 cm左右。

2 建筑中鋼結構的缺點及破壞機理

鋼結構具有耐腐蝕性能差和防火性差的缺點。腐蝕問題可以通過涂刷高性能防護漆、定期維護和研制提高鋼材本身的防腐蝕性來解決。鋼材耐熱不耐高溫,隨著溫度的升高,強度和彈性模量下降,伸長率和線膨脹系數增大。這體現了鋼材溫度升高時強度下降塑性提高。鋼結構通常在600℃溫度左右強度就會降為零而失去承載能力,發生很大的形變,導致建筑物崩潰倒塌。一般不加保護的鋼結構的耐火極限為 15m in左右,與建筑物耐火極限標準差距很大,也正是這一缺點制約了鋼結構的運用和發展。

火災下建筑鋼結構破壞機理可以從英國著名的BER Cradintgon鋼結構火災實驗中總結出以下幾點:(1)高溫使鋼材的彈性模量降低,結構剛度下降;(2)高溫使材料強度降低,甚至熔化,導致結構承載能力下降;(3)構件內部不均勻升溫,使構件內部以及整個建筑結構中產生不均勻的熱膨脹,從而使構件內部及整個結構中產生很大的附加應力。這3個方面的共同作用,導致建筑構件變形增大、開裂、屈曲、破壞,甚至局部或整體倒塌。

3 鋼結構建筑防火方法

鋼結構直接應用到建筑中,達不到國家規范要求的建筑構件耐火等級,必然會遺留下先天性火災隱患,危害人們的生命財產安全。所以,必須對鋼結構做防火處理。火災的發生機理非常復雜,單體建筑的防火設計是一個系統工程,一般分為防止起火及火勢擴大系統、防煙與安全疏散系統、機構耐火設計系統等。鋼結構防火屬于結構耐火設計部分。由于整個系統具有統一性,鋼結構防火設計必須放在整個建筑防火系統中加以考慮。目前我國鋼結構設計的國家標準《建筑設計防火規范》、《高層民用建筑設計防火規范》對建筑物的耐火等級及相應構件的耐火等級做了具體的規定。我們在做鋼結構防火設計時,要求鋼構件的耐火極限大于規范要求的耐火極限。

鋼結構的防火保護有多種方法,選擇鋼結構的防火措施時,應考慮下列因素:鋼結構所處部位、需防護的構件性質(如屋架、網架或梁、柱)、鋼結構采取防護措施后結構增加的重量及占用的空間、防護材料的可靠性、施工難易程度和經濟性等。另一種為主動防火法,就是提高鋼材自身的防火性能或設置結構噴淋。但目前采用防火涂料進行阻燃的方法被認為是有效的措施之一,鋼結構防火涂料在 90%鋼結構防火工程中發揮著重要的保護作用。

3.1 被動防火法

被動防火法主要有鋼結構構造防火保護和防火涂料保護等。主要目的是為鋼結構提供了足夠的耐火時間。構造防火方法主要有混凝土防火保護、防火板保護、金屬網外包砂漿保護和外包防火層等方法。防火涂料保護是針對外露的鋼結構構件,通過涂刷防火涂料提高鋼結構耐火極限的方法。

3.1.1 構造防火保護方法

3.1.1.1 混凝土或砌筑耐火磚防火保護

承重鋼結構采取混凝土防火措施,以延長其耐火極限。用普通水泥混凝土將鋼結構包裹起來,即我們通常意義上說的鋼管(筋)混凝土結構。混凝土可參與工作(如勁性混凝土結構),也可以只起保護作用。混凝土厚 50mm時,耐火極限可達3 h左右。

在鋼結構構件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚也是一種保護方法。上海外灘的浦發銀行(原匯豐銀行)、浦東世界金融大廈、上海信息大廈中部鋼結構就使用的這種方法。這種方法比較可靠,但較適合于陰柱的保護。對于梁等其他構件,施工比較麻煩且自重大;對于初期升溫很快的火災也不太適用。這種保護方法在高溫作用下易發生崩裂現象。

3.1.1.2 防火板對鋼結構的保護

國外一些國家自 70年代中期以來,相繼研制成功硅酸鈣防火板,適用于鋼結構的防火保護。作為鋼結構直接包敷保護法的一種,防火板保護鋼結構早已在建筑工程中應用。早期使用的防火保護板材主要有蛭石混凝土板、珍珠巖板、石棉水泥板和石膏板,還有的是采用預制混凝土定型套管。板材通過水泥砂漿灌縫、抹灰與鋼構件固定,或以合成樹脂粘結,也可采用釘子或螺絲固定。日本JIC公司 1984年即開始生產硅酸鈣防火板(KB防火裝飾板),最高使用溫度1 000℃。90年代中期德國和丹麥研制成功最高使用溫度達 1 100℃的硅酸鈣高溫防火板。國內最近自行研制成功了GF和愛特等品牌新型鋼結構硅酸鈣防火板,最高使用溫度可達1 100℃,耐火極限可達 4 h(30mm厚)。作為鋼結構防火板材應具備重量輕、強度高、隔熱性好、耐高溫、耐候性好等特點。

3.1.1.3 用金屬網外包砂漿保護鋼結構

這其中的金屬網起到骨架增強的作用。此外,還可用陶粒混凝土或加氣混凝土防護,可預制成砌塊或現澆,防火效果亦十分理想。

3.1.1.4 外包柔性卷材防火層保護方法

主要是以硅酸鋁、陶瓷棉毯等隔熱保溫材料以卷材的形式直接包裹到需要進行保護的鋼結構上,其施工快捷迅速。目前柔性卷材防火保護在國外有相關的報道,國內還很少見應用實例。

3.1.1.5 在鋼結構構件內部充水保護法

這種方式依靠火災時向鋼結構構件內部充入循環水進行降溫冷卻,達到保護鋼結構的目的。它需要一套完善的火災報警聯動系統和足夠的水源與供水系統,效果良好,但成本較高、火災時增加結構自重、且結構內部需作耐水腐蝕處理。這種方法國內外均試驗不多。

3.1.2 防火涂料保護法

防火涂料保護法就是在鋼結構上噴涂防火涂料以提高其耐火極限。目前,我國鋼結構防火涂料主要分為薄涂型和厚涂型兩類,即薄型(B類,包括超薄型)和厚型(H類)。薄型涂層厚度在 7mm以下,在火災時能吸熱膨脹發泡,形成泡沫狀炭化隔熱層,從而阻止熱量向鋼結構傳遞,延緩鋼結構溫升,起到防火保護作用。其主要優點是:涂層薄,對鋼結構負荷輕,裝飾性較好,對小面積復雜形狀的鋼結構表面的施工比厚型要容易;厚型涂層厚度為 8～50mm,涂層受熱不發泡,依靠其較低的導熱率來延緩鋼結構溫升,起到防火保護作用。兩者具有不同的性能特點,分別適用于不同場合,但是,無論那種產品均應通過國家檢測機構檢測合格,方可選用。

總之,在選用鋼結構構件耐火保護材料時,除需要考慮材料的耐火性能外,還要考慮材料的耐久性、耐候性、耐腐蝕性、抗反復荷載性能以及高溫穩定性等,使其既能滿足功能要求,又具有一定的經濟效果。

3.2 主動防火法

鋼結構構件的主動防火保護就是提高鋼材自身的防火性能或設置結構噴淋等建筑內的主動消防措施,如采取排煙、自動滅火系統,排除室內熱量、抑制火災增長和滅火,在火災發生后從根本上消除高溫和火焰對鋼結構構件的威脅,以實現保護鋼結構的方法。與被動耐火保護相比,它是一種更積極的保護方式。

實踐證明,在建筑物內設置自動滅火設施,能有效地抑制火災的蔓延擴大或撲滅初期火。這樣可以降低室內溫度,使建筑結構得到保護,并為人員疏散創造良好的條件與環境。因此,應根據場所內的可燃物性質和可能的火災規模、結構體系設計和建筑的性質與功能,選用相適用的自動滅火設施,能夠撲滅該場所內的初期火而不致使火災擴大或蔓延時,就可以適當降低對鋼結構耐火性能的要求。但應注意,鋼結構的耐火保護是對整個鋼結構體系而言的,設計時應考慮結構間的傳熱與內力分布影響。此外,建筑物內設置的滅火設施是否能在火災時發揮作用,除應按照規范和有關標準要求選用合格產品、保證安裝質量外,還與日常是否有良好的維護與運行密切相關。

4 結束語

雖然鋼結構由于其獨特的性能被廣泛應用于建筑場合,但是由于其固有的不耐火的缺點,我們在應用中,要采取不同的方法手段來解決這個問題,關鍵是由場合、耐火極限要求、成本等因數綜合考慮,可以單獨采用一種方法,或采用幾種方法配合來達到我們的設計要求。目前的防火處理方法基本能滿足規范規定耐火時限要求,但是新的防火方法還有待于研究。

[1] 劉剛.鋼結構防火設計的研究[D].天津大學,2007

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[3] 時虎,胡源.鋼結構建筑的火災危險性和防火保護[J].中國公共安全(學術卷),2006(1)

[4] 閆百慧,侯靜.建筑鋼結構的防火處理[J].中國新技術新產品,2009(2)

TU998.12

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2010-01-29

房紹方,男,工程師,研究方向:建筑防火。