淺談鋼結構的防火性及防護措施

摘 要：建筑鋼結構在建筑行業被廣泛使用，是建筑行業的“寵兒”。相比于傳統的混凝土材料和砌體結構，它具有很多優點。比如性能穩定、質量輕強度高等。但它也具有導熱性強，防火性能差等缺點，所以當鋼結構建筑沒有采取任何防火保護時，一旦發生火災，結構很容易遭到破壞。近年來，因其防火性能差而引發的災害層出不窮，造成了十分嚴重的質量事故和經濟損失。如何通過使用鋼的防火性以確保安全和降低經濟損失，日趨成為一個重要的領域。基于此，該文通過了對鋼結構的防火性進行簡單分析，進而得出了有效的措施加以防治。

關鍵詞：鋼結構；損失；防火性；措施

建筑鋼結構在建筑行業被廣泛使用，是建筑行業的“寵兒”。相比于傳統的混凝土材料和砌體結構，它具有很多優點，比如性能穩定、質量輕強度高、抗震性能好、占有面積小，使用面積大，并且在使用過程中易于改造，變動比較容易、靈活。同時它的基礎造價低，節能還具有可回收性，因此屬于一種綠色建筑材料等等。但其導熱性強，防火性能差，其彈性模量和強度隨溫度的升高而下降迅速，承載能力也隨之下降。所以當鋼結構建筑沒有采取任何防火保護時，一旦發生火災，結構很容易遭到破壞，甚至結構整體倒塌。近年來，由于防火性能較差而引發的災害層出不窮，造成了十分嚴重的質量事故和經濟損失。如何通過使用鋼的防火性以確保安全和降低經濟損失，日趨成為一個重要的領域。基于此，文章通過對鋼結構的防火性進行簡單分析，進而得出有效的措施加以防治。

1 建筑鋼結構的防火性能

鋼的耐火性能較差，高溫下易于變形，受熱后強度下降很快，如鋼材在20 0C時強度為450Mpa，在到500℃左右，其強度下降到40%-50%，而到614°C時，鋼材強度就只有70Mpa，幾乎失去承載能力。《建筑設計防火規范對耐火等級做出了一些規定，根據組成建筑物的構件的燃燒性能和構件最低的耐火極限，將建筑物的耐火等級分為四級。未經防火保護的鋼結構建筑物的耐火等級僅為四級，不能滿足火災情況下對建筑防火要求。一般火場溫度最高可達到1000°C，在這樣的高溫下，裸露的鋼結構會很快出現塑性變形，產生局部破壞，造成鋼結構建筑整體倒塌。

2 鋼結構防火保護的意義

鋼結構的耐火時間極限大于或等于規定的耐火時間極限，并使火災時產生的溫度的最大值不超過鋼材的臨界溫度，從而可以延長建筑被破壞的時間，以減少火災后鋼結構的修復費用，縮短災后鋼結構功能的恢復周期，使得因火災引起的經濟損失降到最低，并利于疏導被困人員和物資搶救，也使得因火災引起的人員傷亡程度降到最低。

3 國內外鋼結構防火現狀的研究現狀

隨著經濟的快速發展帶來了制造業的空前繁榮，無論是大跨度的廠房、橋梁、體育館等大體積量建筑還是門窗、汽車等小體積量工具，鋼結構已經被廣泛應用。因此鋼結構必然會根據自身固有的特點和社會的需要逐步推廣

3.1 國外鋼結構防火研究現狀。國外鋼結構的防火研究大體可分為四個時期。第一時期：1928年Ngberg將火荷載的概念引入到結構防火中，使結構防火定量化。第二時期：1958年Kawagoe在火災試驗中發現室內火災發展與通風條件有很大的關聯，他還建立了室內熱量守恒方程，據此提出了燃燒速度與通風系數之間成正比的概念，Kawagoe的研究成果對后來鋼結構抗火設計有很深遠的影響，也為后來的計算機模擬奠定了基礎。第三時期：1964年。Been和1970年Magnusson在上述模型的基礎上，提出了多角型燃燒速度模型，發展并補充了隔間內質量平衡方程。第四時期：1983年Harmathy將構件和隔間內的總熱能作為衡量火災是否嚴重性的指標。將火災看成是一種釋放到結構上的能量正是源于這種思想。在材料的抗火性能方面，在火災條件下鋼結構的力學性能表現及鋼結構的響應的研究國外起步較早。

3.2 國內鋼結構防火研究現狀。我國是自20世紀90年代才開始進行鋼結構抗火研究的，國家對于鋼結構的發展給予了一定的支持，鼓勵發展鋼結構建筑，雖然鋼結構抗火方面研究的較晚，也已研究出了許多有效而具體的防火措施，比如對防火涂料的創新上已有了重大突破。

4 加強建筑鋼結構的防火對策

4.1 需要考慮的因素。（1）安全性能，對人體是否有危害；（2）自身穩定性和防火性；（3）施工技術的難易程度和效益的經濟性；（4）鋼結構自身材料特性及所處部位等等。

4.2 截流法。截流法的原理是采取一些有效的措施截斷或滯阻火災產生的熱流量向構件的傳輸，從而使構件在規定的時間內溫升不超過其臨界溫度。其做法是構件表面設置一層具有特殊性能的保護材料，當火災產生時，它產生的高溫首先傳給這些保護材料，再由保護材料傳給構件。由于所選材料的導熱系數較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構件的傳輸，從而起到保護作用。通常情況下，我們可以將截流法細分為以下四種方法。噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

4.3 疏導法。疏導法目前主要是充水冷卻保護這一種方法，與截流法不同，疏導法允許熱量傳到構件上，然后設法熱量走或消耗掉，同樣可使構件溫度不至升高到臨界溫度，從而起保護作用。疏導法同屏蔽法、包封法、噴涂法一樣，是一種被動保護方法，疏導法是目前僅有的充水保護方法；理論上疏導法是鋼結構防火保護最有效的方法，在有足夠供水的條件下，即使火災持續時間很長也能永久保護鋼結構的安全。

4.4 涂料法。

4.4.1 防火原理。鋼結構防火涂料的防火原理有三個：一是防火涂層可以對鋼材起到一定的屏蔽作用，使鋼結構不至于直接暴露在火焰高溫中；二是涂層吸熱后部分物質分解放出的水蒸氣或其他不燃氣體，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用；三是涂層本身多孔輕質和受熱后形成炭化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強度的降低，從而提高了鋼結構的耐火極限。

4.4.2 防火涂料的優點。它的優點多多，比如：（1）消弱火災條件下對鋼結構的塑性破壞，最大限度的防止鋼結構的整體或局部坍塌，降低火災造成的人員傷亡和經濟損失的程度。（2）降低建筑鋼結構在火災后的重建和修復的費用，最大程度上減少鋼結構使用功能在火災后的恢復時間，以達到鋼結構的經濟性和適用性。（3）防火涂料的防腐性高，具有很好的物理防腐和電化學防腐作用，提高了鋼結構的穩定性和使用壽命。（4）防火涂料的顏色穩定性好，不產生色變，透明性強。

4.4.3 防火涂料的種類。鋼結構防火涂料的種類很多，通常根據高溫下防火涂料涂層變化分為膨脹壑和非膨脹型兩種。

4.5 耐火、耐候鋼。耐火、耐候性鋼是利用多種非燃性材料的防火板作為了保護層，將防火板附在鋼材料的外層。這種鋼材在溫度下降時，強度下降的比較緩慢，此外由于它的耐火性表較好，可以在施工時適當減小保護層的厚度，甚至可以不涂防銹漆，這樣也可以節省一定的成本，目前被廣泛使用。

參考文獻

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作者簡介：武心智（1997.03- ），男，山東肥城人，本科，研究方向：城市地下空間工程。