淺談鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)

宋俊國(guó)

近幾年鋼結(jié)構(gòu)建筑日趨增多，尤其是一些高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)材料更為廣泛。鋼結(jié)構(gòu)作為一種蓬勃發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)點(diǎn)有目共睹，但缺點(diǎn)不容忽視，除耐腐蝕性差外，耐火性差又是它的一大缺點(diǎn)。

鋼材雖然屬于非燃燒材料，但它的力學(xué)性能對(duì)溫度變化很敏感。當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的總趨勢(shì)是降低的，但在200℃以下時(shí)變化不大。當(dāng)溫度在250℃左右時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng)度反而有較大提高，而塑性和韌性下降。當(dāng)溫度超過(guò)300℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量開(kāi)始顯著下降，鋼材產(chǎn)生徐變;當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低;達(dá)到600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均接近于零，其承載力幾乎完全喪失。這就是所謂的鋼材耐熱不耐火。因此一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)很容易遭受破壞而倒塌。

下面的幾個(gè)例子把這點(diǎn)體現(xiàn)的淋漓盡致。

1)1996年江蘇省昆山市的一座輕鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生火災(zāi)，4 300 m2的廠房燒塌。2)1998年北京某家具城發(fā)生火災(zāi)，造成該建筑(鋼結(jié)構(gòu))整體倒塌。3)2003年4月5日山東省即墨市龍泉鎮(zhèn)青島正大有限公司鋼結(jié)構(gòu)食品加工車(chē)間發(fā)生火災(zāi)，建筑面積6 256 m2。

上面的例子告訴我們?cè)诮ㄖO(shè)計(jì)時(shí)，必須加大對(duì)建筑材料的防火保護(hù)，以增強(qiáng)其耐火極限，并在建筑內(nèi)部制定必要的應(yīng)急方案，以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)從三個(gè)方面考慮：合理的構(gòu)件的截面系數(shù)、防火措施和建筑內(nèi)部必要的應(yīng)急方案。

1 構(gòu)件的截面系數(shù)

鋼構(gòu)件受火時(shí)，達(dá)到某一指定溫度所需要的時(shí)間與構(gòu)件截面形狀有關(guān)。當(dāng)構(gòu)件直接受火表面面積越大，熱量交換越多，所需時(shí)間越短，構(gòu)件截面面積越大，達(dá)到指定溫度吸收的熱量越多，則所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)。所以可以用構(gòu)件的截面系數(shù)來(lái)表示構(gòu)件的吸熱能力。截面系數(shù)越大，構(gòu)件越不耐火。但即使同一構(gòu)件，所用保護(hù)材料構(gòu)造方式不同即有時(shí)采用周邊包封，有時(shí)周邊噴涂，有時(shí)構(gòu)件三面受火(如梁、一邊靠墻柱)或構(gòu)件四面受火，其截面系數(shù)也是不同的。所以確定合適的截面系數(shù)是很重要的。CECS 200∶2006建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范在附錄中相應(yīng)的規(guī)定。

2 鋼結(jié)構(gòu)的防火措施

2.1 耐火極限的要求

所謂鋼構(gòu)件的耐火極限是鋼構(gòu)件受標(biāo)準(zhǔn)升溫火災(zāi)條件下，失去穩(wěn)定性、完整性或絕熱性所用的時(shí)間，一般以小時(shí)(h)計(jì)。

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定民用建筑的耐火等級(jí)分為一、二、三、四級(jí)。除此規(guī)范另有規(guī)定者外，不同耐火等級(jí)建筑物相應(yīng)構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限不應(yīng)低于規(guī)范中表5.1.1的規(guī)定。

2.2 防火保護(hù)措施的種類(lèi)

鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火處理目的是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到規(guī)范規(guī)定的極限范圍，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。一般處理方法為采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量傳遞的速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)升溫，強(qiáng)度變?nèi)醯臅r(shí)間等。

目前，世界各國(guó)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采用多種方法進(jìn)行保護(hù)。這些方法從原理上來(lái)說(shuō)可分為兩種：截流法和疏導(dǎo)法。

2.2.1 截流法

截流法是在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)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。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

1)噴涂法：采用噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或噴射無(wú)機(jī)纖維保護(hù)構(gòu)件。這種方法具有防火隔熱性能好，施工不受鋼結(jié)構(gòu)幾何形體限制等特點(diǎn)。

防火機(jī)理是：a.防火涂料本身具有難燃或不燃性，使被保護(hù)的鋼材不直接與空氣接觸，從而延遲鋼材著火燃燒。b.防火涂料遇火分解出不燃的惰性氣體，沖淡被保護(hù)鋼材受熱分解的易燃?xì)怏w和空氣中的氧氣，抑制燃燒。c.燃燒被認(rèn)為是游離基引起的連鎖反應(yīng)，而含氯、磷的防火涂料受熱分解出一些活性自由基因可與有機(jī)游離基化合，中斷連鎖反應(yīng)，降低燃燒速度。d.膨脹型防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層泡沫隔熱層，封閉被保護(hù)的鋼材，阻止鋼材燃燒。

防火涂料的選用原則：a.鋼構(gòu)件耐火極限設(shè)計(jì)要求不大于1.5 h時(shí)，宜采用超薄型或薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。b.鋼構(gòu)件耐火極限設(shè)計(jì)要求為1.5 h～2.5 h時(shí)，宜采用薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。c.鋼構(gòu)件耐火極限設(shè)計(jì)要求為3.0 h或3.0 h以上時(shí)，宜采用厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。涂料厚度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)數(shù)據(jù)選定相應(yīng)的涂料厚度。

2)包封法：是用耐火材料把構(gòu)件包裹起來(lái)。包封材料有防火板材、混凝土、鋼絲網(wǎng)抹耐火砂漿等。當(dāng)采用石膏板、蛭石板、硅酸鈣板、珍珠巖板等硬質(zhì)防火板材包封時(shí)，板材可用膠粘劑或鋼件固定。當(dāng)包封層數(shù)最少兩層時(shí)，各層板應(yīng)分別固定，板縫應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，其距離不宜小于400 mm。當(dāng)用巖棉、礦棉等軟質(zhì)板材包封時(shí)，應(yīng)用薄金屬板或其他不燃性板材包裹。

3)屏蔽法：將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置在耐火材料組成的墻體或頂棚內(nèi)，或?qū)?gòu)件包藏在兩片墻之間的空隙里。

2.2.2 疏導(dǎo)法

疏導(dǎo)法是在空心封閉截面中(主要為柱)充滿(mǎn)水，火災(zāi)時(shí)鋼構(gòu)件把從火場(chǎng)中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過(guò)循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件溫度可維持在100℃左右。水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱連通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱;后者既能蒸發(fā)耗熱，又能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導(dǎo)向非火災(zāi)區(qū)溫度較低的柱。

3 強(qiáng)化報(bào)警系統(tǒng)和滅火裝置

3.1 報(bào)警系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的探測(cè)報(bào)警設(shè)備中，感溫探測(cè)器只能探測(cè)8 m及以下高度的空間，感煙探測(cè)器為12 m及以下，火焰探測(cè)器及紅外光束感煙探測(cè)器為20 m及以下。鑒于大空間建筑的構(gòu)造特性，功能區(qū)等固定房間可采用普通感溫(煙)探測(cè)器，而展覽區(qū)等大空間在實(shí)際中多采用雙波段火焰探測(cè)器、線(xiàn)型光束圖像感煙探測(cè)器等配合自動(dòng)水炮系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)。

3.2 滅火裝置

自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)是一種重要的滅火、報(bào)警措施，是目前世界上采用最廣泛的一種固定滅火報(bào)警設(shè)施。其特征是：通過(guò)加壓設(shè)備將水送入管網(wǎng)至帶有電磁控制的噴頭處，噴頭在收到開(kāi)啟控制信號(hào)的同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟灑水滅火，并發(fā)出報(bào)警，更好的預(yù)防火災(zāi)的蔓延。考慮到高層建筑以自防自救為主，室內(nèi)消防用水量比室外的要大些，室內(nèi)消火栓用水量為40 L/s，是規(guī)范規(guī)定的建筑物消防用水的上限值。

自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)中的自動(dòng)噴水滅火裝置，根據(jù)被保護(hù)建筑物的性質(zhì)和火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展特性的不同，可以有許多不同的系統(tǒng)形式。通常根據(jù)系統(tǒng)中所使用的噴頭形式不同，分為閉式自動(dòng)噴水滅火、開(kāi)式自動(dòng)噴水滅火。具體采用哪種滅火系統(tǒng)應(yīng)符合《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

目前的研究水平主要停留在構(gòu)件的耐火性能階段，缺乏整體結(jié)構(gòu)防火概念。另外，防火措施雖然較多，但業(yè)主存在僥幸心理，往往為節(jié)省造價(jià)、防火做法達(dá)不到設(shè)計(jì)所需要的耐火等級(jí)。因此，我們一方面應(yīng)加大力度開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)防火領(lǐng)域的研究，另一方面提高人們對(duì)防火重要性的認(rèn)識(shí)，雙管齊下才能避免一些不應(yīng)該發(fā)生的事故，建設(shè)一個(gè)美好和諧的社會(huì)。

［1］ GB 50016-2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［2］ 06SG501，民用建筑鋼結(jié)構(gòu)防火構(gòu)造［S］.

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

［4］ 李 兵，陳道政.鋼框架結(jié)構(gòu)抗火反應(yīng)分析與研究［J］.山西建筑，2009，35(1)：78-79.