從鋼結構在火災下的反應談如何提高鋼結構的 抗火性能

胡翠平

（福建農業職業技術學院， 福建 福州 350119）

0 引言

近年來隨著經濟的發展，大跨度、超高層建筑應運而生，促使鋼結構的快速發展。且隨著隨著房屋密度加大以及燃氣、電器的普遍使用，建筑物發生火災的可能性越來越大火災給人類帶來的危害是巨大的。鋼材為非燃燒材料，但鋼耐火性能極差，因此，鋼結構一旦發生火災，結構很容易遭到破壞甚至倒塌。2001年“9.11”事件充分證明了這一點。2001年世貿大廈被撞擊后飛機攜帶大量的燃油向大廈底部流淌，火勢迅速向下蔓延，燃燒不久，灼熱的高溫就通過鋼結構迅速傳遍整幢大樓，致使大廈承重的鋼結構熔化，撞機僅57分鐘南樓就徹底崩潰倒塌，而北樓也僅堅持了l小時22分鐘，造成了死亡2797人、損失360億美元的驚世慘案[1]。因此，了解鋼結構在火災下的反應從而提出提高鋼結構的抗火性能的方法是非常有意義的。

1 火災下鋼結構的反應

1.1 高溫下鋼材的反應

在加熱情況下，普通鋼材的性能隨著溫度升高而變化。鋼材的性能分為物理性能和力學性能。物理性能主要為膨脹系數、熱傳遞系數、比熱、密度等。高溫作用后鋼材的物理性能除了密度，總體上都隨著溫度的升高而變大，而鋼材的熱膨脹對極限承載力影響不大但使結構或構件產生變形與附加應力。而鋼材的力學性能隨溫度升高，彈性模量、屈服強度、極限強度隨著溫度的升高而下降，塑性變形和蠕變隨溫度的升高而增加。總體上隨著溫度變化為：在180℃～370℃溫度期間內，鋼材出現藍脆現象，此時鋼材的極限強度有所提高而塑性韌性降低，材料相對其他溫度段比變脆；當溫度超過400℃后，鋼材的強度與彈性模量開始急劇下降；在500℃時，鋼的極限強度和屈服強度極限大大降低；當溫度為600℃時EC3指出鋼材的名譽屈服強度及極限強度分別為為常溫下的0.47及0.36；650℃以后基本喪失其承載力，造成鋼結構建筑物部分或全部垮塌毀壞[2]-[3]。

火災下，熱空氣主要通過輻射及對流向鋼構件傳遞熱量，后在構件內部通過熱傳導進行傳熱。同濟大學李國強等在鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計[2]中指出ISO834標準升溫條件下無保護層鋼構件截面形狀系數為10的構件在火燒,80min時空氣溫度為988℃時構件溫度可達到603℃，隨著截面形狀系數的增大，則構件達到600℃所需時間越小。因此基于鋼材的力學性能則表明火災下80min后鋼構件大部分失去承載力。

基于鋼材熱膨脹系數隨著溫度的升高而升高，且鋼構件截面形狀系數小于10時，構件內部截面溫度則處于非均勻分布，因此高溫下，可使結夠內部以及整個建筑結構中產生不均勻的熱膨脹，從而使構件內部及整個結構中產生很大的附加應力。例如在約束構件或在剛性框架結構中，由于橫梁伸長時受到梁端框架柱的約束，產生隨溫度升高而增大的約束力，框架柱有被梁從原位向外推開的趨勢，從而造成結構的屈曲，甚至引起垮塌，使整個結構受到破壞。

1.2 火災下整體結構反應

火災下，整體結構中會產生鋼梁的懸鏈線效應和樓板的薄膜效應。懸鏈線效應[4]：指在火災下，若結構能夠保持整體的穩定，鋼梁會產生大變形，梁將從受彎轉變為受懸索作用，從而使梁得到很大的承載力。此效應可以抵消鋼梁由于溫度膨脹產生的軸向應力，還可以提高鋼梁抵抗橫向荷載的能力。薄膜效應[6]：指在火災下，部分鋼梁和壓型鋼鋼板喪失承載力時，樓板雖會產生很大變形，但依靠板內鋼筋網形成的薄膜作用還可繼續承載，并不會發生樓板坍塌現象。這是由于樓板通過產生大撓度使其從原來受彎承載轉變為受拉承載，從而提高了抗火承載力。

2 提高鋼結構抗火性能的措施

基于鋼構件的材料在高溫下的性能，提高鋼結構的抗火性能有兩種，即改變鋼材在高溫下的性能或進行對構件采取防火保護措施。

防火保護措施方面[1]，其基本原理就是使構件在規定的時間溫度升高不超過其臨界溫度。當前防火保護方法主要可分為兩大類：截流法和疏導法。截流法是通過阻止熱量向構件傳輸，主要包括噴涂法、屏蔽法和包封法等方法；而疏導法允許熱量傳到構件，再把熱量導走來達到目的，目前只有充水冷卻保護這一種方法。具體為：

1）噴涂法，指直接在構件表面噴防火涂料、防火噴射纖維等隔熱材料。該方法有施工方便、裝飾性好、成本低、無環境污染、后期維護工作量小等優點，目前是鋼結構防火保護的最佳選材。

2）屏蔽法，則把鋼結構包藏在耐火材料組成的堵體或吊頂內。

3）包封法，在鋼結構表面用現澆混凝土、防火板、耐火磚、礦物纖維、砂漿或灰膠泥等做耐火保護層把鋼構件包裹起來，從而起到防火作用。

4）充水冷卻法指將鋼構件制成空心體，在空心鋼構件內填充經處理后的水，一旦發生火災，讓水循環帶走熱量，保護鋼構件，達到提高耐火極限目的。因此方法要考慮水對鋼材的腐蝕、水的靜壓及水的循環控制系統及施工方面等問題，故不太適合采用。

以上方法，理論上都可以取得防火的目的，可以延長構件在火災下保持其承載力的時間，但在過程中需要考慮采取防護措施后結構增加的重量及占用的空間，防護材料的可靠性，施工難易程度和經濟性等因素的影響。

改變鋼材在高溫下的性能反面，當前國外有對耐火鋼及不銹鋼進行研究。耐火鋼[2]高溫下的物理性能與普通結構鋼相似，力學性能方面有較大的改變。耐火鋼做成的構件高溫下屈服強度高出普通結構鋼甚多。600℃時，構件用耐火鋼的屈服強度高于2/3室溫強度，彈性模量任保持室內時的75%以上。但耐火鋼在使用上整體來說是不經濟的。

對于整體結構，為了提高整體鋼結構的抗火性，應加強對承重構件的材料的防火保護措施；但因為在構件內部是通過熱傳導進行傳熱，且鋼材的導熱系數大，建議在承重構件與非承重構件的連接件上使用耐火鋼來鏈接，從而可以減小非承重構件的防火保護的費用。

3 結論

（1）鋼材在高溫下的物理性能隨著溫度的升高大致呈增長趨勢，力學性能隨著溫度的升高而降低；（2）火災下，構件內部以及整個建筑結構中產生不均勻的熱膨脹，從而使構件內部及整個結構中產生很大的附加應力；（3）火災下，整體結構中會產生鋼梁的懸鏈線效應和樓板的薄膜效應；（4）當前國內很多學者對鋼結構的防火方面的研究主要集中在延遲鋼構件材料達到失去承載力溫度，而做出相應的防火措施；（5）對鋼結構整體構件的抗火設計方面的研究，當前國內比較缺乏文獻。