鋼結(jié)構(gòu)抗火性能分析及改善措施研究與總結(jié)

李天平

甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院（730050）

0 概述

鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強、抗震性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于目前正在建設(shè)的新建結(jié)構(gòu)中。相比于傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在抗火方面的性能較差。根據(jù)許多起鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)事故表明，火災(zāi)對于鋼結(jié)構(gòu)的破壞是毀滅性的，因此，提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能是目前亟待解決的問題。

提高鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的方法主要有兩個方面:①進行抗火設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的承載力冗余度以抵抗承載力的退化；②采取有效的保護措施，減緩鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下承載力衰退，達到增強結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能的作用。

1 鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計

抗火設(shè)計是在設(shè)計過程中將火災(zāi)因素納為考慮因素，提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力儲備，使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)導(dǎo)致承載力發(fā)生衰退之后，仍有足夠的承載力能支撐結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌。鋼結(jié)構(gòu)抗火方面的設(shè)計可從鋼材、鋼構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)體系三個層面進行。

1.1 鋼材

鋼材本身不具有可燃性，但鋼材在高溫環(huán)境下的機械物理性能和力學(xué)性能會明顯降低，當溫度超過800℃時，無防火保護的鋼結(jié)構(gòu)強度會急劇降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物局部破壞甚至整體坍塌。根據(jù)建筑火災(zāi)的發(fā)展階段及失效情況可以得到，轟燃發(fā)生后空氣的溫度會迅速升高，通常在幾分鐘內(nèi)可迅速達到1 000℃[1]，無防火保護和防火保護失效的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中極易受到損害。

鋼材在高溫下的材料性能是決定抗火性能的根本，從這一層面，抗火設(shè)計的目標在于選取具有合適抗火性能的鋼材用于建筑設(shè)計。國外研究者對耐火鋼的研究效果更顯著，根據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，屈服強度可以在600℃時保持在室溫值的2/3以上的建筑用耐火鋼，目前已廣泛應(yīng)用于各種建筑工程中[2]。

1.2 鋼構(gòu)件

火災(zāi)使鋼材的強度和剛度降低，進而使梁柱等構(gòu)件的承載力和穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。因而從鋼構(gòu)件層面，抗火設(shè)計主要是將計算公式在強度和穩(wěn)定性兩個方面進行修正，具體設(shè)計公式如下:

相比于不考慮抗火設(shè)計的計算公式，以上公式中增加了多個修正系數(shù)。其中為在高溫下鋼材的強度的折減系數(shù)，引入該系數(shù)后，相當于考慮了鋼構(gòu)件在高溫下強度的退化；均為高溫下鋼構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，這些系數(shù)相對于常溫下的穩(wěn)定系數(shù)，都進行了一定的折減，相當于考慮了構(gòu)件在高溫下剛度退化引起的穩(wěn)定性降低。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)體系

從結(jié)構(gòu)體系的整體來看，火災(zāi)可能導(dǎo)致局部構(gòu)件的失效，進而影響與之相連的多個構(gòu)件，引發(fā)使得構(gòu)件的失效在整個結(jié)構(gòu)里蔓延，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體連續(xù)倒塌。因而從結(jié)構(gòu)體系的層面上進行抗火設(shè)計，就是進行結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的超靜定程度，設(shè)計合理的傳力路徑，在部分構(gòu)件失效后其余部分能夠合理的分擔荷載，不至發(fā)生構(gòu)件連續(xù)失效而整體倒塌。

鋼結(jié)構(gòu)體系層面上的抗火設(shè)計實際上就是對結(jié)構(gòu)進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計，通常可采用拆除構(gòu)件法（抽柱法）進行設(shè)計[3]。拆除構(gòu)件法就是將結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件拆除掉，以模擬該構(gòu)件失效的情況。在研究中建立了一個框架，將其邊榀框架中間的柱拆除掉，分析剩余結(jié)構(gòu)的受力特點，評估是否會引發(fā)新的構(gòu)件失效。拆除柱子之后結(jié)構(gòu)由最初的剪切型變形向剪彎形變形過渡，拆除柱子使得與該柱對應(yīng)位置的所有梁出現(xiàn)塑性鉸而失效，產(chǎn)生了一定范圍的失效蔓延，故當此柱受火失效時，將對結(jié)構(gòu)造成較大的破壞，需要考慮進一步加強優(yōu)化。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施

在之前的研究中，結(jié)構(gòu)工程師們才關(guān)注到外包混凝土對鋼結(jié)構(gòu)剛度的增強作用，由此開始了對型鋼混凝土構(gòu)件的研究，并分析了局部屈曲、軸壓比等情況[4]。目前鋼結(jié)構(gòu)防火的主要的措施可分為兩類:截流法和疏導(dǎo)法，通過改造構(gòu)件外部設(shè)施達到防火的目的。

2.1 截流法

截流法的主要思路是設(shè)置防火涂層或防火隔離層，將鋼構(gòu)件與火隔絕開來，避免直接受火，延緩構(gòu)建溫度的上升。常用的方法有在鋼結(jié)構(gòu)外外包混凝土或砌筑磚砌體、涂敷防火涂層或防火卷材、單面屏蔽法等。

2.1.1 外包混凝土或砌筑磚砌體

該方法是將鋼構(gòu)件外部用混凝土或砌體包裹，使構(gòu)件不與火源接觸，減少熱量向鋼構(gòu)件的傳遞。這種方法使用的材料簡易，成本低，但是混凝土的澆筑和砌體的砌筑需要較大的工程量，施工比較困難。

2.1.2 防火涂層或防火卷材

該方法是將專門的防火涂層或卷材敷設(shè)在鋼構(gòu)件的表面，達到隔絕火災(zāi)熱量的目的。常用的防火涂層種類繁多，根據(jù)厚度可以分為厚型和薄型兩類。厚型（H）涂層厚度8~45 mm，耐火極限0.5~3 h；薄型（B）涂層厚度3~7 mm，耐火極限0.5～1.5 h。另外根據(jù)受火狀態(tài)可分為非膨脹型和膨脹型。非膨脹型涂層自身有良好的阻燃隔熱性能，密度較小；膨脹型遇火迅速膨脹，防火效果好[5]。但也有不足:①防火卷材經(jīng)常應(yīng)用于屋頂上，但是眾所周知，室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火勢蔓延，往屋頂燃燒，其中該方案中的防火涂層設(shè)置再最上方，這便使最先接收火勢帶來的熱量的是最下層的粘貼層，其中粘貼層無法對熱量進行阻擋，使從卷材的底部至上方溫度逐漸升高，融化卷材，使處于最上方的防火涂層發(fā)揮不了其防火作用，導(dǎo)致卷材喪失其作用；②其中當發(fā)生大型火災(zāi)時，卷材開始燃燒第一條件便是溫度達到燃點，然而該方案中的卷材雖然能在一定程度上對吸煙、電焊、電線短路等引起火災(zāi)起到阻擋作用，但是卷材無法實現(xiàn)控制其自身的燃點，導(dǎo)致當發(fā)生大型火災(zāi)時，起不到任何的防火作用。

2.1.3 單面屏蔽法

單面屏蔽法是在構(gòu)件的迎火面設(shè)置防火隔離層，將火源擋在隔離層以外，以減緩構(gòu)件受火升溫。同時隔絕火源，使得鋼結(jié)構(gòu)的溫度上升較慢，最高溫也有所降低。對于鋼柱，可在柱周圍設(shè)置一圈防火隔離層，將柱封閉在隔離層中，保護鋼柱。對于鋼梁和組合樓板，可設(shè)置防火吊頂，隔絕下部火源的熱量，達到增強結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能的作用。這種方法經(jīng)濟型較好，可在特殊部位設(shè)置，是一種廣泛采用的可以提高鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的方法。

此外，近年來又新興起了一種鋼化玻璃防火隔斷的保護措施。但是鋼化玻璃隔斷自身的耐熱性能較差，在無自動噴水系統(tǒng)冷卻保護時，在較短的時間內(nèi)發(fā)生破碎，失去其耐火完整性[6]。因而噴水系統(tǒng)可以對玻璃進行有效的降溫，提高了玻璃的隔熱性能，使之可作為有效的防火分隔措施。由于防火玻璃和噴淋系統(tǒng)造價偏高，同時噴淋系統(tǒng)也為施工增加了難度，因而防火玻璃隔斷在工程中應(yīng)用較少，更多的是用在重要設(shè)備的防火隔離措施中。

2.2 疏導(dǎo)法

疏導(dǎo)法是通過冷卻系統(tǒng)將傳遞在鋼構(gòu)件上的熱量帶走，給受火構(gòu)件降溫，使構(gòu)件始終保持在比較低的溫度，不至于達到臨界溫度。常用的方法有水冷卻法、水噴淋法等。在水的作用下可以有效減緩結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度的上升，利用水循環(huán)將溫度較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的熱量帶走，降低火災(zāi)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度。

水冷卻法是利用水作為冷卻液注入鋼構(gòu)件的空腔中，利用水受熱后上升的特點推動整個結(jié)構(gòu)中的水進行循環(huán)，將火災(zāi)熱量帶到未受火區(qū)域散掉，將溫度較高區(qū)域的熱量帶至其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件處，結(jié)構(gòu)整體溫度不出現(xiàn)局部過高的情況，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件因高溫失效，確保受火區(qū)域構(gòu)件的溫度不達到臨界溫度。同時為了防止鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件生銹，可在循環(huán)水中添加阻銹劑。

水噴淋法是設(shè)置類似于消防噴淋設(shè)施的噴淋系統(tǒng)，當火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)自動啟動或需人工啟動向鋼構(gòu)件噴淋水降溫，在給結(jié)構(gòu)構(gòu)件降溫的同時也能起到一定的滅火作用，確保鋼構(gòu)件在火災(zāi)中不會溫度過高而失效[7]。

3 總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的提高方法主要有抗火設(shè)計和提前設(shè)置對鋼結(jié)構(gòu)的保護措施兩種。前者在設(shè)計過程中考慮抗火因素，將構(gòu)件的承載力冗余度提高，以抵消火災(zāi)帶來的承載力退化；后者在已有鋼構(gòu)件的基礎(chǔ)上，從阻隔火災(zāi)熱量輸入和加快構(gòu)件熱量耗散的角度來進行防火保護，控制構(gòu)件溫度不達到臨界溫度。總之，以上方法都對鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能具有不同程度的提高，在實際工程中，要根據(jù)工程的防火等級、造價成本、災(zāi)害后果等因素綜合考量，選擇多種措施組合，以提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火能力。