建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究

劉曼

（安新縣市政建設(shè)有限公司，河北 保定 071000）

【摘 要】本文闡述了建筑火災(zāi)的危害性，針對我國目前的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)進(jìn)行論述，并提出高層建筑的抗火方法。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗火研究；材料性能

一、火災(zāi)的危害

近幾十年來，我國的高層建筑發(fā)展非常迅速，建筑結(jié)構(gòu)火災(zāi)的問題也日益突出，這些都迫切需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火性能的研究。現(xiàn)代建筑中大部分采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有的研究成果，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)（高溫）下鋼材和混凝土的強(qiáng)度、彈性模量等均隨溫度升高而下降，一般混凝土材料在400度以上、鋼材在300度以上，其力學(xué)性能嚴(yán)重惡化，高溫下材料性能的變化是結(jié)構(gòu)的承載力和耐火極限嚴(yán)重下降的一個(gè)主要原因。另外結(jié)構(gòu)受火時(shí)受火面溫度隨周圍環(huán)境溫度迅速升高，但由于混凝土的熱惰性，內(nèi)部溫度增長緩慢，截面上形成不均勻溫度場，而且溫度變化梯度也不均勻，導(dǎo)致不等的溫度變形和截面應(yīng)力重分布，這些變化都足以危及結(jié)構(gòu)的安全性，某些情況下會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

二、建筑結(jié)構(gòu)抗火能力的研究

結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的目的是保證建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)具有足夠的耐火時(shí)間，防止火災(zāi)時(shí)出現(xiàn)局部倒塌甚至整體倒塌。

建筑火災(zāi)過程研究：建筑火災(zāi)發(fā)展過程研究的目的是掌握建筑火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，主要了解氣體溫度變化及煙氣運(yùn)動等規(guī)律，從而再現(xiàn)已發(fā)生火災(zāi)和預(yù)測未來火災(zāi)的情況，為建筑防火設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。對建筑火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是一種較為直接、可靠的途徑。它一方面可以給出供計(jì)算用的一些經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)性的模型，另一方面可以為人們從一般原理出發(fā)提出的理論和計(jì)算模型提供檢驗(yàn)手段和可靠依據(jù)。1972年，在美國國家科學(xué)基金資助下，美國哈佛大學(xué)現(xiàn)代火災(zāi)科學(xué)之父Howard Emmons教授與工廠聯(lián)合研究公司對建筑火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行合作研究，其中進(jìn)行了兩次足尺實(shí)體試驗(yàn)。這項(xiàng)研究取得了三方面的重大成果：實(shí)驗(yàn)方面，使用了新的儀器和數(shù)據(jù)處理方法，建立了現(xiàn)代火災(zāi)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；理論方面，建立了現(xiàn)在廣為知曉的區(qū)域火災(zāi)模型；數(shù)值方面，為哈佛大學(xué)的火災(zāi)模擬軟件提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

建筑材料高溫下熱工性能和力學(xué)性能研究：建筑材料在高溫下的熱工性能參數(shù)以及力學(xué)性能參數(shù)是研究建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中反應(yīng)的基礎(chǔ)。材料的熱工性能參數(shù)包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、質(zhì)量密度以及熱膨脹系數(shù)等。影響混凝土熱傳導(dǎo)系數(shù)的因素有骨料類型、水分含量、混凝土的配合比以及溫度等。試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)逐漸減小，混凝土的熱膨脹系數(shù)與骨料類型等因素有關(guān)，并且還受試件尺寸、加熱速度等外部條件影響，不同研究者得出的結(jié)果差異較大。相對于混凝土的力學(xué)性能來說，混凝土的熱工性能研究還較少，但熱工性能參數(shù)對結(jié)構(gòu)分析結(jié)果影響還是比較大的，這方面還有很多工作要做。

建筑構(gòu)件內(nèi)溫度場研究：材料的力學(xué)性能與溫度密切相關(guān)，所以，搞清構(gòu)件內(nèi)部各點(diǎn)的溫度變化過程是計(jì)算構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)反應(yīng)的前提。發(fā)生建筑火災(zāi)時(shí)，可燃物釋放的熱量通過熱輻射、熱對流以及熱傳導(dǎo)方式傳遞給建筑構(gòu)件表面，再通過熱傳導(dǎo)向構(gòu)件內(nèi)部傳遞。構(gòu)件內(nèi)溫度場是一個(gè)隨時(shí)間變化的變溫度場，一般可通過對傅立葉導(dǎo)熱微分方程進(jìn)行數(shù)值求解獲得構(gòu)件內(nèi)的溫度分布。有限單元法是計(jì)算構(gòu)件內(nèi)溫度場的一種理想方法。為了減少計(jì)算工作量，目前普遍假設(shè)梁、柱等細(xì)長構(gòu)件的溫度分布沿軸線方向無變化，把三維溫度場問題簡化成二維問題。

三、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火措施

對于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，除了進(jìn)行基本的抗火設(shè)計(jì)，還必須考慮可行的防火保護(hù)措施，將兩者緊密的結(jié)合起來。鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用耐火、絕熱或吸熱的材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率，延緩鋼結(jié)構(gòu)表面到達(dá)臨界溫度的時(shí)間。常用防火措施現(xiàn)行基本有以下幾種：

（一）噴涂法

該方法采用專門設(shè)備將一定厚度防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面上，具有造價(jià)較低、施工快速、復(fù)雜的細(xì)部亦容易覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，視防火層厚度的大小抗火時(shí)間也有所不同，最高可達(dá)4個(gè)小時(shí)。但由于噴涂表面不平整，影響美觀。故適用于比較隱蔽的鋼構(gòu)件。防火涂料一般由硅石添加粘結(jié)劑或礦物纖維制成。

（二）防火板隔離法

將表面平整的防火材料板采用機(jī)械方法螺栓連接或捆扎環(huán)繞固定在鋼構(gòu)件的四周，一般做成箱狀，將構(gòu)件和周圍火環(huán)境隔離，以達(dá)到降低構(gòu)件的受熱速度，確保構(gòu)件在一定的防火時(shí)效內(nèi)不致達(dá)到其極限溫度。由于防火板可在工廠批量生產(chǎn)，所以具有厚度一致、品質(zhì)保證、干凈無污染等優(yōu)點(diǎn)。其外表平整、美觀，故較為適用于外露構(gòu)件如鋼柱的防火處理，大部分產(chǎn)品抗火時(shí)間可達(dá)到4小時(shí)。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)部施工較困難，裝配速度較慢。

（三）膨脹漆覆蓋法

將一定厚度的膨脹漆采用噴涂、刷或抹的方式在經(jīng)過一定處理的構(gòu)件表面形成一層保護(hù)膜，最高可滿足2小時(shí)的抗火時(shí)間要求。膨脹漆防火材料覆蓋層遇高溫時(shí)能夠自然澎脹成泡沫狀，形成一層很厚的隔熱毯，其厚度可達(dá)原防火層厚度的數(shù)十倍，以降低鋼構(gòu)件的升溫速率。該方法可作為鋼構(gòu)件的表面裝修，具有施工迅速且易于在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)部施工等優(yōu)點(diǎn)，但大都不適合潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)環(huán)境。視材料防火性能的不同，該方法造價(jià)可高可低。

（四）水泥磚塊填充法

對于某些截面的H型鋼柱，在其翼緣和腹板之間的空隙處填入水泥磚以降低構(gòu)件表面的曝火面積，同時(shí)使斷面上產(chǎn)生不同的溫度區(qū)域，從而達(dá)到降低構(gòu)件的受熱速率，提高其抗火性能的目的。單獨(dú)采用該方法可能達(dá)到30分鐘的抗火時(shí)間，如果需要更高的抗火時(shí)效，則須對暴露的鋼構(gòu)件表面施以其它的防火處理。

（五）水冷卻法

將空心的鋼柱（或鋼梁）連成管網(wǎng)，其內(nèi)充滿含抗凍劑、防銹劑的水溶液，通過著火時(shí)的溫差作用，使水溶液循環(huán)流動，把熱量帶走；也可以設(shè)置自動水淋裝置，在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)自動噴水，在鋼構(gòu)件表面形成一道致密的連續(xù)流動的水膜，從而起到防火保護(hù)作用。

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法并不是單單用上面的某一種方法，而是采用多法結(jié)合作用。現(xiàn)在高層或超高層鋼結(jié)構(gòu)往往設(shè)置幾道防火防線，一般以噴淋法為第一道防線，以防火板隔離法和噴涂法為第二、第三道防線等。

四、結(jié)論

總而言之，現(xiàn)如今建筑結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了一定的研究成績。但是還有著很多部分需要我們?nèi)ソ鉀Q。以目前我國的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)為例，現(xiàn)如今還是缺乏著具體的、系統(tǒng)的方法及要求。因此，對于我國的抗火設(shè)計(jì)而言，還需要不斷的實(shí)踐和研究來進(jìn)行完善。

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