談建筑鋼結構防火和結構性能化防火方法

肖向鋒

(山西省第三建筑工程公司，山西長治 046000)

0 引言

近年來，隨著中國經濟的發展，城市化水平顯著提高，建筑業發展突飛猛進，已經成為我國四大支柱行業之一。目前的高層建筑尤其在超高層建筑中，鋼結構所占的比重也日益增多。這是由于鋼材的強度高、自重輕、整體剛性好、抗震性好、工業化程度高、變形能力強、可再次利用，在建造大跨度和超高、超重型的建筑物時，有著很大的優越性。然而，鋼結構也有很大的缺點，即耐火性能差。在國內外鋼結構火災倒塌案例中，鋼結構短時間內失效造成嚴重的生命財產損失。因此，鋼結構的火災防護也愈來愈引起重視。對高層及超高層建筑的承重的鋼結構必須采取必要而有效的防火措施，保護生命財產安全。此外，保證建筑在火災下的結構安全也是進行建筑結構防火的一個重要問題。

1 鋼結構的防火

鋼結構在建筑中最致命的缺陷就是抗火性太差。鋼材的熱膨脹系數很高，在高溫下其結構容易發生屈曲，另外由于鋼材的導熱性能良好，更容易使整體結構遭到破壞。鋼結構在高溫時，其屈服強度、彈性模量會隨著溫度的升高而降低。在400℃的溫度下，其屈服強度為室溫下強度的一半;在600℃的溫度下，鋼材基本喪失全部的強度和剛度。

在火災發生時，延緩建筑的倒塌或者破壞的時間，及時的疏散人群和滅火，是在設計建筑時要考慮的。通常，可以定義結構耐火極限來衡量一個建筑的防火性能。我國對無防火被覆鋼進行耐火極限測試，確定了Ⅰ36b，Ⅰ40b標準工字鋼材的耐火極限分別為15 min，16 min。出現火災時，無防火措施的建筑鋼材會在短時間內失效，導致建筑物迅速坍塌，給營救和滅火工作帶來很多困難。在提高耐火極限的措施中，傳統的做法為:1)在鋼結構的周圍砌上粘土磚，用砂漿填充其中，砂漿飽滿度達到80%以上，粘土磚厚度達到120 mm時，測得耐火極限可延長至2.85 h。2)在鋼結構的周圍澆灌水泥混凝土，其厚度達到100 mm時，耐火極限同樣可延長至2.8 h。3)采用金屬網外加砂漿的方式，根據厚度的不同，同樣可以提高耐火極限。4)使用防火涂料。5)在鋼結構構件內部充水保護，在火災發生時，向鋼結構構件內部注入循環水以降溫冷卻，從而保護鋼結構。前三種方式都是將鋼結構用耐火材料包裹起來，從原理上來講，稱其為包封法。第四種是將防火涂料噴涂在構件的表面，形成防火涂層，具有便于施工，鋼結構的外形不受其影響，涂料本身重量輕，耐火時間長等優點。

1)外包層。

外包防火層一般用于鋼柱結構，隨著技術的不斷進步，使用防火板作保護層技術越來越多。其主要用于耐火等級為一、二級的建筑物的鋼柱與屋頂的承載構件，并對這些構件進行被覆，隔離熱源，以此來提高鋼結構的耐火極限。

2)防火涂料。

防火涂料分為遇到高溫后發生膨脹和不發生膨脹兩類。由于膨脹型防火涂料在高溫時膨脹，形成數十倍的泡沫碳質層，能有效隔離外部熱源對鋼結構的作用，其效果要優于非膨脹型涂料。

在防火涂料研究方面，我國從1985年開始，研制出一系列鋼結構防火隔熱涂料和鋼結構膨脹防火涂料。而且，在對鋼結構防火涂料的耐火性和耐久性方面也做出了不少成果。

3)疏導法。

疏導法的原理與上述方法不同，這種方法允許熱量傳遞到構件上，然后通過熱傳遞將熱量輸送出去，使構件溫度不至于達到鋼的臨界溫度，從而起到保護作用。

目前主要是采用充水冷卻防護，將水注入空心封閉截面中，發生火災時將熱量從注入的水中帶走，如此循環，可使構件的溫度保持在100℃左右。但由于這種方法對結構設計要求比較高，應用此方法的建筑還比較少。

4)耐火鋼。

20世紀80年代末期，日本研究者在鋼中添加微量的Cr，Mo，Nb等稀有元素，研制出了耐火鋼。這種耐火鋼在溫度為600℃時其屈服強度仍可以保持在室溫值的2/3以上，這相當于該材料的長期許用應力值。發生火災時，耐火鋼的屈服強度如果保持此值，建筑物就不會坍塌。這對建筑防火來說，具有很大的優勢。除此之外，耐火鋼和普通建筑用鋼比，其費用也比較低［1］。普通建筑用鋼和耐火鋼的防護成本對比見表1。

表1 普通建筑用鋼和耐火鋼的防護成本對比

目前，耐火鋼的使用逐漸增多，產品的型號也日益增多，我國也已經開發出了一系列的耐火鋼，同時兼顧防腐、抗震性能的耐火鋼也將成為建筑用鋼的發展趨勢。

2 結構性能化防火

結構防火是根據建筑和結構的火災防治要求，采用一定的方法、按照一定的步驟確定結構防火措施的行動。高層和超高層建筑的結構復雜，傳統的防火形式已經不適用于這類建筑。20世紀60年代，性能化防火的概念開始在建筑領域廣泛傳播和應用。大型的國際會議也紛紛召開，促進了性能化防火設計的發展。其基本理念是建立結構模型，模擬整個火災過程，從中預測和判斷結構的安全性能。采用這種防火方法能使設計方案合理，達到有效的防火目的，其方法也靈活多樣，便于加入新元素來提高防護效果。其設計理念能使防火安全、火災損失和預期目標更好的結合起來。

現今結構防火設計主要有下列幾種方法［2］:

1)基于試驗的結構抗火設計方法。根據建筑的重要性和火災的危險性確定相應的耐火極限。

2)基于計算的結構抗火設計方法。根據構件的受力等情況來分析構件的抗火能力，其方法與實際吻合的比較好。

3)性能化結構抗火設計方法。以防止整體結構坍塌和人員安全與火災經濟損失最小為目的，設計抗火結構。這種方法能最大限度的模擬實際的抗火能力，是一種比較先進的抗火設計方法。

由于此方法涉及的學科內容比較多，設計中問題的考慮需要面面俱到，這要求設計人員有較高的專業水平。此種方法是一種新型的抗火方法，其設計的制定還需完善，實際應用還需要一段時間。

3 結語

實際中，不管采用哪種建筑措施，其防火的最終目標為:盡可能多的保障人員的生命財產安全。減少建筑物在火災中的損壞，避免結構在火災中的局部或整體坍塌引起的滅火及人員疏散困難，減少人員的傷亡和火災后建筑物的修復成本等。上述的防火措施各有其特點，在實際應用中，將其良好的統一起來共同發揮作用，效果會更加明顯。

［1］ 薛占權.鋼和耐火鋼材特性的對比及耐火鋼抗火機理［D］.西安:西安建筑科技大學碩士學位論文，2010.

［2］ 李國強，吳 波，韓林海.結構抗火研究進展與趨勢［J］.建筑鋼結構進展，2006，8(1):1-13.

［3］ 朱 杭.高層建筑鋼結構性能化防火設計方法與應用［D］.上海:上海交通大學碩士學位論文，2011.

［4］ 關大巍.大連國際證券大廈鋼結構防火安全技術研究［D］.天津:天津大學碩士學位論文，2007.

［5］ 李國強.建筑鋼結構抗火設計與防火保護措施［J］.節能減排，2009(6):90-91.

［6］ 汪 寧.火災后鋼結構性能分析研究［J］.山西建筑，2011，37(36):24-25.