鋼結構梁柱防火保護設計及造價控制研究

曲升級

（煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264005）

0 鋼結構的耐火性能與耐火極限

鋼結構盡管是不燃材料，但對氣溫變化相當敏感，特別是抗壓抗拉強度有急劇變化。當氣溫聚變時，鋼材力學指標變化很大。研究發現，在火災溫度下，未加保護的鋼結構梁柱節點只需短短十五分鐘，其溫度就可達到540℃。另外，其載荷能力、屈服強度、彈性模量等關鍵指標均快速下降。鋼構件高溫耐火試驗證明，鋼梁、鋼柱、鋼屋架等主要受力構件的耐火極限在15分鐘到30分鐘之間，這根本不能滿足火災情況下對建筑防火的要求。火災發生時首先是梁柱節點破壞，作為鋼結構受力關鍵點也是框架最薄弱的地方，梁柱節點的破壞最后導致整個建筑的坍塌。既然鋼構件的耐火極限距離防火規范的要求相差很大，我們既要充分利用鋼結構的輕質高強為生產服務，更要對鋼結構特別是梁柱節點等關鍵部位進行耐火防火設計，在火災中延緩構件升溫，保護生命和財產安全。

1 梁柱節點抗火研究的方法

目前，主流研究梁柱節點的耐火防火方法方法有建立有限元耐火試驗分析及現場高溫試驗兩種：后者高溫試驗數據準確，真實反映鋼結構節點的耐火防火性能，但是缺點很明顯就是浪費材料，鋼結構構件價格高，試驗成本太大；有限元分析既可以模擬高溫下的節點性能，又減少時間和經費。目前有限元分析集中研究平面鋼框架節點試驗及后期數理推導，對鋼框架中的梁柱節點空間性能研究較少，定量分析數值計算及數理推導模擬分析。

2 鋼結構空間梁柱節點抗火性能的研究

在實際鋼框架結構中，根據節點在空間上位置的不同，將空間框架中的節點分為四種，分別為角節點，中節點和兩個方向上的邊節點。在有限元模型驗證的基礎上，對四種空間框架的梁柱節點連接進行了有限分析，從變形上看[1]：1）對于框架中有主次梁連接的柱翼緣，與主次梁的上翼緣對應處柱翼緣分析時受火向外凸，與主次梁下翼緣對應的柱翼緣分析時受火向內凹。2）對于沒有梁連接的柱翼緣，其變形較小且較均勻。3）4種空間鋼框架節點，與梁連接的柱翼緣的變形形態是一致的，且較無梁連接的柱翼緣變形大。空間框架邊節點和角節點在火災作用下，隨著溫度的上升，轉角增加較快，即較易受到破壞；實際連接時H型柱腹板端載荷大于梁端載荷時，發生火災下角連接節點更易受到破壞。

3 鋼結構梁柱防火保護中存在問題

首先，防火涂料選型單一。根據我國《鋼結構防火涂料應用技術規范》規定，具體在施工時候根據室內和室外進行區分，室內鋼構件裸露在外，起到裝飾作用和輕鋼骨架屋檁等構件耐火時間在一個半小時以內選用薄涂料；對比室外隱蔽鋼構件，主要受力構件、多層及高層鋼結構耐火時間一個半小時以上選用厚涂料防火。厚涂料開始膨脹系數很少基本不產生膨脹，具有非常良好的阻燃性。然而在實際中，很多施工企業仍然是采用簡單的膨脹型發泡，并不能根據不同鋼構件應用類型的鋼結構來選擇不同的防火涂料。具體厚度施工時候難以具體檢查，也缺失相關的檢測措施。實際在具體工程進行時，防火涂料生產單位為追求經濟利益，跟質檢部門采取周璇的辦法，所提交的檢測樣品都是合格的。他們有一套獨立的生產體系，流向市場的是另一套，生產出來的產品有些是不合格產品。最后是相關檢測機構執行標準不嚴格，缺少統一的執行標準。工程竣工前，我國消防部門一般會要求進行防火涂料性能檢測，或者委托中介進行檢測，這存在很大的制度漏洞：相關檢測單位在利益驅使下沒有嚴格執行相關標準，對隨機抽樣檢驗、特定檢測部位、涂料主要性能、涂層厚度方面沒有嚴格把關。

4 鋼結構防火保護對策

首先，梁柱節點主要采取隔離或阻斷方式。采用隔熱材料延緩火焰灼燒或吸熱材料阻斷火焰，延緩熱量向鋼構件傳播的速度，延緩鋼構件溫度上升及產生各種力學性能變化的時間。具體方法分傳統和現代防火技術。在傳統防火設計中，主要采用的方法有以下幾個[2]：首先是在鋼構件四周澆筑混凝土，封閉鋼構件。這種方法比較簡便，混凝土也比較容易獲得，在其成型后更是堅固耐用。但是，混凝土層在烈火作用下會因消防水噴射造成破裂和剝落，并且這種用混凝土構造起來的保護層厚，重量大，施工費用還高。所以，現在只有底層或一層采用這種方法。第二種方法是采用質量較輕的防火建材外包鋼構件。比如玻璃纖維水泥板、建筑石膏板、硅酸鈣板、等非燃材料的板材。這些材料包裝施工費力，且包裝材料強度較差，極其容易損壞。

現在，鋼結構防火主要是是噴射外表面保護層和外刷噴涂料。目前最新趨勢是將鋼結構噴射保護和鋼結構防火涂料噴涂兩種方法有機結合。通過高壓槍將防火涂料噴射到鋼構件的外表面，這樣鋼結構外表面形成一層耐火隔熱層。鋼結構噴射保護技術主要是噴射無機纖維防火護層材料，這種防火保護技術尤其適用于耐火極限要求比較高的高層鋼機構。

5 鋼結構造價控制措施

價格波動范圍的影響。應對當前近三個月鋼構件主要市場價格進行分析比對，仔細分析研究市場走勢，當遇到國家政策調整、國家財政政策性變動、原材料供應市場、國際材料市場供需變化等均會造成市場價格波動，密切關注大型生產基地，對材料供應方進行實地詢價，確保主要材料在投標時不會出現較大的波動，合理進行預判及調整，以避免在施工中出現價格上漲導致延誤制作和安裝，減少利潤甚至虧損。

噴射防火涂層施工的影響。鋼結構關鍵是防腐防火涂料的涂刷及工藝檢測，施工質量的好壞直接影響建筑外形美觀，由于涂層不合格導致復工，增加總造價。通常在鋼結構細化環節會詳細說明具體做法及要求，質量檢測合格標準在實際中是有著嚴格的要求[3]：一是涂層噴射要求。防火防腐涂料、外加劑的生產日期、規格、型號符合圖紙標準要求，進場一定要檢查產品三證：產品合格證、產品質量合格文件和檢驗報告。二是涂裝基礎層。噴射涂裝前，表面應進行除銹噴砂噴丸處理，外表面進行除銹，經檢測符合除銹標準及設計圖紙要求，外表面進行噴砂或噴丸處理后，鋼構件表面光滑細膩，絕對禁止處理后仍出現氧化皮、油污、焊熘等。三是關于噴砂厚度、涂層厚度、涂層質量等均應符合相關標準和設計要求。

6 鋼結構人機成本分析

組裝部件的制作中，人工費所占比例較大，市場波動也大，對內部人工費標準根據企業定額進行合理調配，普工、特工、高級工合理搭配。不同工種、不同設備、不同工藝、不同部位工資拉開檔次。人工費適當考慮一些津貼、加班補貼、高溫津貼、緊急雨季防護費、職工福利費、勞保費等，并且鋼結構施工單位有自己的標準，測算時考慮一定的幅度，人事部門還應該考慮當前市場人工費價格，對多年工作的老職工增加一定的補助，適當引入學徒制，減少人工費的支出，合理控制人工費。

機械費在實際中變化很大，分別考慮機械租賃，還是自有，特別是機械租賃，合理安排機械使用，盡可能減少臺班數，適當三班倒或兩班倒，增大機械使用效率。實際分析造價控制時需要考慮分攤這部分租賃費用和使用費用，而鋼結構吊裝等施工企業本身具有齊全的機械設備，具體操作時每天都非常清楚費用的花費，特別是維護費、保養費等都適當攤銷在相關費用內。

[1]劉冰,高歌.空間鋼框架節點高溫下的有限元分析.施工技術,2014（27）:45-49.

[2]江雪玲，魏德敏.鋼結構高溫響應影響因素的研究.防災減災工程學報,201（1）:111-115.

[3]王傳倫,鄭偉.淺談輕型鋼結構廠房工程造價的控制.財務與審計,2010(5):72-73.