淺談鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)

摘要：介紹鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施中的阻熱法和水冷法這2種被動(dòng)防火措施，分析比較阻熱法中噴涂法和包封法這2種防火保護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)； 防火保護(hù)措施； 優(yōu)缺點(diǎn)比較

中國(guó)分類號(hào)：TU352.5A

［定稿日期］2022-05-12

［作者簡(jiǎn)介］曾東全（1982—），男，本科，工程師，從事建筑工程管理工作。

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

因?yàn)殇摬牡膹?qiáng)度高、韌性好，所以在相同的條件和荷載下，采用鋼結(jié)構(gòu)與采用如混凝土等其他結(jié)構(gòu)相比，采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑的自重明顯要低于采取其他結(jié)構(gòu)的自重，而且鋼結(jié)構(gòu)的抗震性和抗沖擊性也較好，也可滿足對(duì)空間和造型美感的需求，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)加工制造的工廠化程度高，現(xiàn)場(chǎng)安裝可以準(zhǔn)確快速地裝配，施工周期短，因此在國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在工業(yè)及民用建筑上，尤其適用于大跨度結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是耐火性能非常差［1］。鋼材原材料本身雖為A級(jí)不燃燒材料，但溫度對(duì)鋼材的性能影響非常大，未采取防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃左右時(shí)其強(qiáng)度將下降1/3，當(dāng)溫度達(dá)到450 ℃左右時(shí)其強(qiáng)度將下降1/2，當(dāng)溫度達(dá)到550 ℃左右時(shí)其強(qiáng)度將下降2/3，當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)結(jié)構(gòu)將全部喪失承載能力，而在火災(zāi)場(chǎng)所的溫度一般均會(huì)超過800 ℃，如果鋼結(jié)構(gòu)未施加防火保護(hù)措施，一般將在15～20 min就會(huì)失去全部承載力以致最終坍塌毀壞。因此為使人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全得到保障，必須對(duì)建筑中的鋼結(jié)構(gòu)采取切實(shí)有效的防火保護(hù)措施［3］。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)主要分為主動(dòng)性防火和被動(dòng)性防火兩大類。主動(dòng)性防火是指采用如自動(dòng)滅火、煙氣控制、火災(zāi)探測(cè)報(bào)警等直接技術(shù)措施來(lái)預(yù)防限制火災(zāi)發(fā)生發(fā)展。被動(dòng)性防火指利用設(shè)置的耐火防火材料、噴淋系統(tǒng)、循環(huán)水等來(lái)延緩結(jié)構(gòu)升溫到臨界溫度的時(shí)間。下面主要介紹鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施中的被動(dòng)性防火保護(hù)措施。

鋼結(jié)構(gòu)的被動(dòng)防火保護(hù)措施按照防火原理可以分為阻熱法和水冷卻法，其目的都是在火場(chǎng)溫度作用下確保鋼構(gòu)件在規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度不下降到影響結(jié)構(gòu)安全的程度。

阻止火場(chǎng)熱量向構(gòu)件傳輸?shù)姆阑鸨Ｗo(hù)方法稱為阻熱法［2］，噴涂法和包封法是阻熱法的兩大分類。水冷法是指把火場(chǎng)傳遞到鋼構(gòu)件上的熱量用水導(dǎo)走，淋水冷卻法和充水冷卻法是水冷卻法的兩大分類。

2.1 阻熱法

2.1.1 噴涂法

在鋼材表面噴涂防火涂料形成隔熱耐火層的方法被稱為噴涂法。噴涂法不受結(jié)構(gòu)形狀限制、施工較為方便、重量較輕、經(jīng)濟(jì)適用、耐火時(shí)間也較長(zhǎng)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料從涂層厚度來(lái)分可分為超薄型、薄型、厚型；從防火原理來(lái)分可分為膨脹型和非膨脹型。

2.1.1.1 鋼結(jié)構(gòu)厚型防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般在8～60 mm范圍，耐火極限一般可達(dá)到3 h。其原理是依靠此類防火涂料材料本身的吸熱性、低導(dǎo)熱性、不燃性來(lái)延緩結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的升溫速度，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)安全，為滅火和救援贏得寶貴時(shí)間。厚型防火涂料在火場(chǎng)中受熱后不會(huì)膨脹發(fā)泡，因此又被稱為非膨脹型防火涂料。噴涂和涂抹是這類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的2種施工方法，因涂料較厚，施工中對(duì)于外觀裝飾的處理較難，外觀效果較差。一般使用在耐火極限超過2 h的鋼構(gòu)件上。

2.1.1.2 鋼結(jié)構(gòu)薄型防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般在3～8 mm的范圍，其原理是薄型防火涂料在火場(chǎng)中受熱后會(huì)膨脹發(fā)泡形成隔熱層，依靠形成的隔熱層來(lái)使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)的升溫速度得到延緩，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)安全，為滅火和救援贏得寶貴時(shí)間。此類涂料在火場(chǎng)中受熱后會(huì)膨脹發(fā)泡形成隔熱層，因此又稱為膨脹型防火涂料。此類涂料一般使用在耐火極限小于2 h的鋼構(gòu)件上，一般采取噴涂法進(jìn)行施工，完成后的外觀裝飾效果性比厚型鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂料好。

2.1.1.3 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

此類防火涂料涂層厚度一般小于3 mm，其防火機(jī)理與薄型防火涂料相同，因此也被稱為膨脹型防火涂料。一般采取噴涂法施工，此類涂料一般應(yīng)用在建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼梁、樓板、屋面承重構(gòu)件等對(duì)耐火極限的要求不超過2 h的鋼構(gòu)件上。與薄型、厚型防火涂料相比，此類涂料外觀裝飾性更好，既可滿足對(duì)結(jié)構(gòu)防火的要求，又可滿足對(duì)裝飾裝修外觀的需求，如果能夠進(jìn)一步提高其材料本身的耐火性能則此類涂料將具有更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.1.2 包封法

空心包封和實(shí)心包封是包封法的兩大分類。

（1）空心包封法。采用纖維增強(qiáng)水泥板、纖維增強(qiáng)普通硅酸鈣板、紙面石膏板等輕質(zhì)防火板以及耐火磚和ALC板等，沿外圍邊界對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行包裹從而達(dá)到防火保護(hù)目的的方法被稱為空心包封法。通過在鋼構(gòu)件周邊砌筑耐火磚來(lái)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)是大型重工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房普遍采用的防火方法，此方法耐沖擊、強(qiáng)度高，但施工較困難、占用空間也大。對(duì)于同時(shí)有防火和裝飾要求的居住和辦公建筑等鋼結(jié)構(gòu)，可采用模制定型、專用的裝飾性耐火板材如ALC板、纖維增強(qiáng)水泥板、纖維增強(qiáng)普通硅酸鈣板、紙面石膏板等外包防火構(gòu)造，此方法具有外觀裝飾性好、損耗較小、成本較低、耐老化等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣發(fā)展前景。

（2）實(shí)心包封法。在鋼構(gòu)件上澆筑混凝土將其包裹封閉起來(lái)，從而達(dá)到防火保護(hù)目的的方法被稱為實(shí)心包封法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是作為防火原材料的混凝土在耐火、耐腐蝕、強(qiáng)度等方面的性能均較好，缺點(diǎn)是施工難度較大、特別是在異形構(gòu)造的鋼構(gòu)件上施工非常困難，一般多應(yīng)用于鋼柱上。

2.2 水冷卻法

淋水冷卻和充水冷卻是水冷卻法的兩大分類。

（1）淋水冷卻法。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)設(shè)置于結(jié)構(gòu)上部的水噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)，將系統(tǒng)內(nèi)的水噴灑于結(jié)構(gòu)表面形成水膜，水膜在溫度的作用下蒸發(fā)并帶走火場(chǎng)熱量，既而延緩結(jié)構(gòu)升溫的速度，從而在防火設(shè)計(jì)規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)起到防火保護(hù)作用。

（2）充水冷卻法。將空心鋼柱等封閉的空心鋼構(gòu)件連通并充水形成循環(huán)水系統(tǒng)［3］，通過循環(huán)水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部吸收火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的熱量，既而延緩結(jié)構(gòu)升溫的速度，從而在防火設(shè)計(jì)規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)起到了防火保護(hù)作用。此方法使用的循環(huán)水可由管網(wǎng)、水箱或消防車供給，形成的蒸汽由排氣口排出。從防火原理來(lái)說(shuō)此方法的防火作用是非常有效的，但此方法對(duì)鋼構(gòu)件的構(gòu)造和密封性要求高，循環(huán)水中需要添加防凍劑和防腐劑以防止結(jié)冰和銹蝕，提高了成本，并且需要專業(yè)的設(shè)計(jì)，因此在我國(guó)還未采用過此方法。

3 鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火保護(hù)措施比較

阻熱法是利用耐火材料本身的吸熱和低導(dǎo)熱性來(lái)減緩火場(chǎng)熱量向鋼結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的速度，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性都較好，現(xiàn)階段此類方法在鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)中應(yīng)用較多。水冷卻法是通過水來(lái)導(dǎo)走發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的熱量，此方法需專業(yè)設(shè)計(jì)，成本也較高，其中淋水冷卻法常常作為阻熱法的補(bǔ)充應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)中，而充水冷卻法因?qū)︿摌?gòu)件有構(gòu)造、密封性等有特殊的要求，成本也較高，因此在國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)中尚未得到應(yīng)用。從耐火性、耐久性、施工性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、適用性來(lái)比較阻熱法中的噴涂法和包封法優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）耐火性。因包封法所使用的材料如耐火板、耐火磚、混凝土等的耐火性比噴涂法所使用的防火涂料要好，在使用的防火保護(hù)材料厚度相同的情況下，使用包封法進(jìn)行防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限明顯高于使用噴涂法進(jìn)行防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)。因此鋼結(jié)構(gòu)采用包封法時(shí)結(jié)構(gòu)的耐火性能要優(yōu)于采用噴涂法時(shí)結(jié)構(gòu)的耐火性能。

（2）耐久性。噴涂法所使用的防火涂料均以有機(jī)組分為主，而含有機(jī)組分的材料在任何環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生降解老化等問題，其耐久性能較差，而包封法使用的耐火板、耐火磚、混凝土等材料則不存在這些問題。因此包封法的耐久性能要優(yōu)于噴涂法。

（3）施工性。噴涂法的施工簡(jiǎn)便，速度快，施工時(shí)間短，但對(duì)基層的處理、涂層厚度等控制較難，質(zhì)量不容易達(dá)到保證；包封法施工工藝流程較多、施工速度較慢、施工周期較長(zhǎng)，施工難度較大，尤其是斜撐、鋼梁等的施工較為復(fù)雜，但此方法施工質(zhì)量容易控制，質(zhì)量能較好的得到保證。因此從施工上比較，噴涂法和包封法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（4）環(huán)保性。在施工時(shí)噴涂法采用的防火涂料原材料本身會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且在火場(chǎng)的高溫作用下會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體。而包封法所采用的耐火板材、混凝土等原材料本身不管是在施工過程中、正常使用環(huán)境下以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的高溫環(huán)境下都不會(huì)產(chǎn)生有毒物，在火災(zāi)中有利于人員的撤離和救援。因此包封法的環(huán)保性要優(yōu)于噴涂法。

（5）經(jīng)濟(jì)性。噴涂法施工簡(jiǎn)便，施工時(shí)間短，施工中發(fā)生的人工費(fèi)用、機(jī)械費(fèi)用均較低，但防火涂料的原材料價(jià)格較高，并且以有機(jī)組分為主的防火涂料其涂層隨著時(shí)間推移會(huì)發(fā)生降解老化和粉化脫落［1］，后期維護(hù)費(fèi)用也較高。包封法雖然施工工藝較為復(fù)雜，施工工期較長(zhǎng)，施工的人工、機(jī)械費(fèi)用較高，但其使用的材料價(jià)格較為便宜，且?guī)缀醪淮嬖诰S修費(fèi)。綜合來(lái)講包封法的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于噴涂法。

（6）適用性。噴涂法不受鋼構(gòu)件構(gòu)造外形的限制［1］，因此廣泛應(yīng)用于各大中小型工業(yè)民用鋼結(jié)構(gòu)，尤其適用于異形空間結(jié)構(gòu)。而包封法施工工藝較為復(fù)雜，而且受限于鋼構(gòu)件構(gòu)造外形，一般用于大型的工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑以及同時(shí)對(duì)防火保護(hù)和裝飾均有要求的辦公和居住鋼結(jié)構(gòu)建筑，并且一般應(yīng)用于鋼柱上。因此噴涂法的適用性要優(yōu)于包封法。

4 總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火保護(hù)措施的采用要從耐火性、耐久性、施工性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、適用性等多方面綜合考慮，現(xiàn)采用最多的是阻熱法中的噴涂法和包封法，噴涂法的優(yōu)點(diǎn)主要在于施工簡(jiǎn)便、施工工期短、不受限于鋼構(gòu)件構(gòu)造外形。包封法的優(yōu)點(diǎn)主要在于耐火性能和耐久性能均較好、成本低、對(duì)環(huán)境污染小；此2種方法各有優(yōu)勢(shì)和不足之處，運(yùn)用中可根據(jù)具體情況來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合使用，通過設(shè)置切實(shí)有效的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施來(lái)保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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