鋼框架組合結(jié)構(gòu)的防火設計

黃海敏

南京工業(yè)大學江浦校區(qū) 210000

摘要：鋼框架組合結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，如輕質(zhì)、高強、施工便利等，而受到廣泛的關注，而防火問題一直是阻礙其得到充分利用的原因之一。為此，介紹了鋼框架組合結(jié)構(gòu)的防火設計，如采取合理結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)質(zhì)鋼材，外部涂覆防火涂料等措施。

關鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；防火設計；數(shù)學分析

引 言

組合結(jié)構(gòu)是指通過選擇兩種或多種材料，按照最佳的幾何布置，形成一種新的具有預想功能的結(jié)構(gòu)。組合樓板即組合結(jié)構(gòu)的一種。壓型鋼承板組合板系統(tǒng)是20世紀30年代末在美國發(fā)展起來的，因為其具有輕質(zhì)、高強、安裝方便、施工快捷等優(yōu)點，目前這種結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)廣泛應用于以鋼結(jié)構(gòu)作為框架的各種結(jié)構(gòu)中。但鋼結(jié)構(gòu)具有相對混凝土和磚石結(jié)構(gòu)防火性能差的缺點，大大制約了組合結(jié)構(gòu)快速廣泛地發(fā)展。

現(xiàn)在，對組合結(jié)構(gòu)的防火研究主要集中于以下幾個方面：對結(jié)構(gòu)形式本身的改進；對新型防火材料的研究；外裝飾、水冷卻、通風設計等。

一、鋼結(jié)構(gòu)的特性和抗火極限

鋼結(jié)構(gòu)主要由不燃燒材料鋼材構(gòu)成，鋼材的特性是強度高、韌性強，但抗火性差。一般低碳鋼在無保護層作用時的抗火極限溫度在 7 0 0 0 C 左右，當溫度在 3 0 0 0 C 時， 鋼材的特性開始產(chǎn)生變化， 3 0 0 0C 時彈性模量 E 值開始明顯減 少，5 0 0 0 C 時彈性模量 E 值則為常 溫時的 5 0 % 左右，達到 7 0 0 0 C 時 E 值則只有常溫的 2 0 % 了，彈性模量 的變化速度與屈服強度的變化速度相當，隨著彈性模量的變低，屈 服強度也隨之下降，因此，如果說鋼材在 5 0 0 0 C 的高溫時尚有一定 的承載力的話，在 7 0 0 0C 時在高溫 與外荷載重力的雙重作用下則基 本失去了承載作用。通常火災現(xiàn) 場的溫度可達 9 0 0 ～1 1 0 0 0C 左右。 也就說，如 果鋼結(jié)構(gòu)不采取抗火 保護措施，建筑會在傾刻間倒坍， 而我們采取保護措施的目的就是 使結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災時，滿 足防火 規(guī)范規(guī)定的耐火極限時間，盡可 能延緩高溫對鋼結(jié)構(gòu)的傷害，為消防施救爭取時間。

二、鋼結(jié)構(gòu)防火設計方法

（一 ）基于試驗的構(gòu)件防火設計方法

這種方法以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過進行不同類型構(gòu)件（梁和柱）在規(guī)定荷載 分布與標準升溫下的耐火試驗，確定在采取不同防火措施（如防火涂料）后構(gòu)件 的耐火時間。通過進行一系列的試驗可確定各種防火措施（包括同種防火措施 不同防火程度，如不同肪火涂料厚度）相應的構(gòu)件耐火時間。進行結(jié)構(gòu)防火設計 時，可根據(jù)構(gòu)件的耐火時間要求，直接選取對應的防火保護措施?；谠囼灥臉?gòu) 件防火設計方法，簡單、直觀，應用方便，最初各國的鋼結(jié)構(gòu)防火設計均采用這 種方法。實際上，我國現(xiàn)Ⅸ建筑設計防火規(guī)范》關于鋼梁和鋼柱防火措施要求，也是基于這種方法。

（二 ）基于計算的構(gòu)件防火設計方法

為考慮荷載的分布、大小及構(gòu)件的端部約束狀態(tài)對構(gòu)件耐火時間的影響，可按所設計結(jié)構(gòu)的實際情況進行一系列的構(gòu)件耐火試驗，但是費用昂貴。為解 決基于試驗的構(gòu)件防火設計方法存在的問題，鋼結(jié)構(gòu)防火計算理論研究引起了 很多研究者的重視，開展了大量的研究工作。理論研究以有限元為主，也有采用 經(jīng)典解析分析方法，基本建立了能考慮任意荷載方式和端部約束狀態(tài)影響的鋼 結(jié)構(gòu)防火設計方法。目前這種方法已被英國、澳大利亞、歐共體等國家（組織）的 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范采用。上海市工程建設規(guī)范Ⅸ建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術規(guī)程》也采用這種方法。

三、鋼結(jié)構(gòu)防火應解決的問題

（1）結(jié)構(gòu)在火災中的整體研究

結(jié)構(gòu)的主要作用是作為整體承受荷載，火災下結(jié)構(gòu)單個構(gòu)件的破壞，并不定意味著整體結(jié)構(gòu)的破壞，特別是對于鋼結(jié)構(gòu)，一般情況下結(jié)構(gòu)局部少數(shù)構(gòu)件發(fā)生破壞，將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，結(jié)構(gòu)仍具有一定繼續(xù)承載的能力。當結(jié)構(gòu)抗火設計以防止整體結(jié)構(gòu)倒塌為目標時，則基于整體結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài) 進行抗火設計更為合理。

（2）結(jié)構(gòu)防火計算模型與真實火災差別較大

真實火災中，構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的受力，很難通過試驗模擬，實際構(gòu)件受力各不 相同，試驗難以概全，而受力的大小對構(gòu)件耐火時間的影響較大；其次，構(gòu)件在 結(jié)構(gòu)中的端部約束在試驗中難以模擬，而端部約束也是影響構(gòu)件耐火時間的重 要因素，再次，構(gòu)件受火在結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生溫度應力，麗這一影響在構(gòu)件試驗中也 難以準確反映。因此還需要完善鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在溫度、重力荷載共同作用下的破 壞機理和承載力計算模型。只有通過研究不斷完善的計算模型，才能確定與我 國結(jié)構(gòu)設計相適應的計算模式?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計以概率可靠度為目標，因火災的 發(fā)生具有隨機性，且火災發(fā)生后空氣升溫的變異性很大，要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗火的概 率可靠度設計，必須考慮火災及空氣升溫的隨機性。

四、鋼結(jié)構(gòu)抗火保護方法及措施

依據(jù)《 鋼 結(jié) 構(gòu) 設 計 規(guī) 范 》 （GBJ17-88）的規(guī)定，當結(jié)構(gòu)表面 長期受輻射熱達 1 5 0 0 C 以上或在 短期內(nèi)可能受到火焰作用時，應 采取有效防護措施。一般不加保 護的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限僅為 1 0 ～2 0 分鐘，采取抗火防護就是 使鋼構(gòu)件達到規(guī)定的耐火極限要 求，通過適當?shù)姆雷o措施， 鋼結(jié) 構(gòu)構(gòu)件可達到任何要求的防火等 級。

目前國內(nèi)較常用的鋼結(jié)構(gòu)抗 火保護措施有幾種：

（1 ）包封法：主要是用混凝土 將整條鋼柱鋼梁封閉起來以阻截 或阻滯火災產(chǎn)生的高溫向構(gòu)件的 傳遞，使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫 度達不到其臨界溫度極限。具體 做法可現(xiàn)澆混凝土， 也可用噴涂 法，直接將混凝土噴射在構(gòu)件上。 通常要求在外包層內(nèi)埋設鋼絲網(wǎng) 或用小截面鋼筋加強， 防止遇高 溫產(chǎn)生收縮爆裂。

（2 ）屏蔽法：即通過使用各類 防火板材將構(gòu)件包襄起來，形成 一堵抗火的屏蔽墻。通常這種用 厚板或簿板構(gòu)成防火板材有石膏 板，水泥蛭石板，硅酸鈣板或石 棉板等。使用時將板材通過粘結(jié) 劑或其它緊固件固定在鋼構(gòu)件 上，必要時可再將防火涂料涂在 板材的表面上，若外包采用金屬 板材則需在內(nèi)襯鋪裝隔熱材料。

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作者簡介：

黃海敏（1994年1月19日）男，漢族，江蘇江陰，本科在讀，土木工程房建方向