鋼結構建筑防火性能探析

劉雷

（九江消防支隊，江西 九江 332000）

鋼結構是現代建筑領域中與混凝土、砌體結構一樣被廣泛運用的一類重要建筑結構。人們在充分利用鋼結構自重輕、施工周期短、抗震性能好、強度高等特點帶來的便利的同時，鋼結構也在一次次火災中暴露出來的自身防火性能較差的弱點，給帶來人們了慘痛教訓及巨大的損失。因此，社會也引起了對提高鋼結構防火性能的探討與研究。

1 鋼結構防火性能研究的背景及價值

鋼結構建筑距今已有100多年的歷史，作為建筑結構的一種類型，以其自身具有的強度高，抗震性能強及自重輕等優點，被人們廣的運用在大跨度、高聳、超高層、重型、動力荷載結構建筑中。如廠房、庫房、體育館、展覽館、機場機庫等工程。在世界上的許多發達國家和地區，鋼結構在建筑結構中所占的比例較高，有的國家甚至超過了60%。在我國，從90年代開始，鋼結構就可開始被廣泛的運用在高層建筑中。隨著城市建設的日新月異，經濟的快速發展對高層建筑的需求不斷增高，在新建的許多高層建筑中使用鋼結構的比例已經超過了一半，而且這個比例隨著鋼結構自身所具有的優越特性還在不斷的提高。可以預想到的是，在將來的建筑領域中鋼結構建筑作為一種綠色環保的建筑，將會是建筑市場的一支主力軍。

探討鋼結構的防火性能，提升鋼結構的防火能力已經變成當下一個迫在眉睫的問題。讓人們在充分利用和享受鋼結構帶來的便利的同時，也降低或減少鋼結構在火災發生時可能產生的嚴重危害。同時通過社會面得廣泛關注，使大家能有效的提高對鋼結構的認識，了解抵御鋼結構防火性能較差的辦法和途徑，避免鋼結構在火災中局部或者整體倒塌造成的災害和人員疏散的困難以及人員傷亡，減少火災后鋼結構的修復費用，縮短災后結構功能恢復周期，減少間接經濟損失。因此，探討鋼結構的防火性能有著重要的意義和現實價值。

2 鋼結構特性及變化應考慮的因素

鋼材作為一種建筑材料其屬性是不然的，屬于非燃燒體，但在建筑結構中，其自身的耐火性能卻是其一個主要的缺點，在高溫的狀態下，極易導致其結構破壞，失去承重能力。鋼材屬于非燃燒體的一類建筑構件，與相對應的鋼筋混凝土結構和砌體結構相比較，其自身所具備的耐火性能較差。試驗表明：在不做任何防護措施的條件下，高結構的耐火極限只有0.25h左右，在持續火災高溫的影響下，隨溫度的升高，鋼材的各項性能有著很大的變化。

2.1 鋼材遇高溫時的熱膨脹性

火災高溫情況下，鋼材因其自身的超靜定結構，結構會膨脹并產生出附加的應力。鋼材具有良好的導熱性能，當遇高溫熱時，熱量會迅速的傳遞和蔓延，試驗結果表明：在700℃以前，鋼材構件伴隨鋼溫的升高其熱膨脹也隨之增大，但在800℃～900℃期間，構件在原有伸長的基礎上又出現縮短現象；溫度超過900℃時，又開始膨脹這一特性。 因此，未加保護的鋼構件一旦遇火，其截面溫度迅速升高，嚴重影響到鋼結構安全工作性能。

2.2 鋼材遇高溫的力學性能

在火災高溫的環境下，250℃是影響鋼材力學性能的一個分界點。在250℃的溫度以下，鋼材的強度和彈性沒有明顯的變化。超過250℃時，隨著溫度的升高，鋼材自身的抗壓強度、彈性、等力學性能開始發生變化，出現迅速下降趨勢，產生"塑性流動"現象。當環境溫度升高至540℃左右，鋼材失去穩定性。從實際發生的火災事故當中發現，一般火場中都存在大量的高燃燒性能的物質，火場溫度常常可以到達800℃甚至更高，暴露在這樣的火災環境中鋼結構構件，只要很短的時間，便會失去其自身強度，造成彈性、塑性改變，產生局部的破壞，對結構的承載能力和完整性產生巨大影響，支撐力散失，最終造成的后果是鋼結構建筑的整體坍塌。

2.3 鋼材遇高溫的熱導性能

鋼材雖然不具有燃燒性能，但自身卻又很好的導熱性，是一種熱導性好的固體構件。鋼材遇高溫時，其內部的熱傳導作用較快，火焰、高溫煙氣、熱空氣通過熱輻射迅速在其內部傳遞，從受熱局部向整體傳播，致使鋼結構的整體受熱面積增大，持續時間越長，對鋼結構的影響越大。

2.4 鋼材遇高溫的荷載性能

鋼結構因其承載能力強，抗壓能力高而被廣泛在建筑結構中使用。但是在高溫的環境下，鋼結構的基本荷載能力，也會隨溫度的不斷升高而逐步下降。在實際發生的火災中，鋼結構的局部高溫會逐漸的向整體傳播，隨著鋼結構內部溫度的升高，承載能力將下降，當下降到與荷載、溫度產生的組合效應相等時，結構達到受火承載極限狀態。鋼結構的性能安全需要充分考慮荷載與結構約束條件的作用，才能在抗火設計時充分滿足性能安全要求，使結構在承受確定荷載條件下，以達到提升耐火能力的要求。

3 提高鋼結構防火性能的主要途徑

在了解了鋼結構的相關特性及在當今建筑領域中的作用后，放在我們面前的主要問題就是如何才能提到鋼結構的防火性能。根據鋼結構的導熱性較好這一特性，要提升鋼結構的防火性能，主要出發點就是要阻隔火災環境中的熱量向鋼材內部傳遞，減緩鋼材整體升溫速度，推遲鋼結構構件到達破壞性能臨界溫度的時間。提高鋼結構的防火性能，采用鋼結構作為建筑主體時，要選用適當的防火保護方法。結合國內外對于鋼結構的保護，主要有四類方法：

3.1 在鋼構件四周澆抹混凝土或砌筑耐火磚

采用混凝土或耐火磚將鋼構件（梁、柱）完全封閉起來。其鋼梁、鋼柱的防火保護就是在鋼構件外面纏繞鋼絲（增加粘結力），然后再澆抹混凝土，形成混凝土外墻以隊鋼結構進行保護。

3.2 采用輕質防火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、蛭石板等非燃材料的防火板將鋼構件包裹起來。防火板在德國、日本、美國、英國等國家的鋼結構建筑防火工程中已大量應用。我國目前在防火板的生產和應用上尚處于起步階段。

3.3 噴涂鋼結構防火涂料

將鋼結構防火涂料施涂于鋼結構表面，形成耐火隔熱保護層。鋼結構防火涂料根據高溫下涂層變化情況分膨脹型和非膨脹型兩大系列。在火災發生時對鋼材進行防護阻隔，防止鋼材直接置于火災高溫中。

3.4 水冷卻法

在使用水冷卻法對鋼結構進行防火阻隔時，對結構設計、供水設施有專門的技術要求，其中主要以水噴淋法和疏導法為主，水噴淋法是水冷卻法的一種。該方法是在鋼結構頂部設置噴淋供水管網系統，火災時自動或手動噴水，在構件表面形成一層致密、連續流動水膜，從而起到保護作用。疏導法允許熱流量傳到鋼構件上，然后設法把熱量導走或消耗掉，從而使構件溫度在規定的時間內不會達到臨界溫度，以起保護作用。但在現實中水冷卻法使用較少。

鋼結構建筑防火保護已經普遍被人們所重視，而鋼結構在建筑設計與結構設計界限方面不如混凝土結構磚石結構清晰，且世界各國并沒有統一的設計規范或標準，出臺鋼結構防火設計規范，完善相關鋼結構技術標準。同時也要求在鋼結構設計過程中，設計師要具有豐富的設計經驗、扎實的理論功底。因此，充分進行鋼結構防火性能的分析，有針對性的對鋼結構進行防火保護，對有效提高鋼結構建筑使用安全性能有著重要的意義。

[1]李國強：鋼結構抗火設計方法的發展，鋼結構2000年第3期.

[2]李國強,蔣首超,林桂祥：鋼結構抗火計算與設計，國建筑工業出版社1996年版.

[3]時虎：鋼結構防火涂料研究及其應用，現代涂料與涂裝2003年第4期.

[4]黃瀅,萬琳：鋼結構防火問題探析，江西科技師范學院學報2003年第5期.

[5]李穎清：鋼結構防火的意義及其防火保護措施，河南科學2002年第4期.