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