張龍

摘要：建筑鋼材強(qiáng)度高、自重輕，加上鋼結(jié)構(gòu)具有制作簡(jiǎn)便、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種工程結(jié)構(gòu)，因而在工業(yè)與民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。從鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的概述，燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過(guò)程，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的意義、原則，防火涂料的分類、選用原則等多個(gè)方面介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原則

關(guān)鍵詞：防火設(shè)計(jì)

一、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的概述

鋼結(jié)構(gòu)耐火性能很差，鋼材雖為非燃燒材料，但卻易導(dǎo)熱、怕火燒。未做防火處理的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)垮塌很快， 其耐火極限僅為15～20分鐘。因此防火是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要的部分。鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)是選定保護(hù)材料及所需厚度，從而使結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的升溫不超過(guò)其臨界溫度而確保耐火穩(wěn)定性。防火設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際耐火時(shí)間大于或等于規(guī)定的耐火極限。

二、燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因

1.燃燒是指可燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應(yīng)。燃燒必須包括三個(gè)基本要素，即可燃物質(zhì)、助燃物（空氣、氧氣或氧化劑）和火源（如高溫、火星或火焰等）。

2.人們所看到的燃燒現(xiàn)象，往往實(shí)際并不是物質(zhì)本身在燃燒（除了組成和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的可燃?xì)怏w，如氫氣之外），而是物質(zhì)在受熱分解出的氣體或液體蒸氣在氣相中的燃燒，有機(jī)聚合物固體在燃燒時(shí)，一般均有下列過(guò)程：可燃固體發(fā)生熔融和熱分解，形成一個(gè)凝聚和熱分解區(qū)，析出可燃性氣體，并同時(shí)放熱;可燃?xì)怏w和助燃劑混合并受到進(jìn)一步的加熱（預(yù)熱）;經(jīng)預(yù)熱的混合空氣達(dá)到燃點(diǎn)后開(kāi)始燃燒，同時(shí)放出大量的熱，由燃燒時(shí)放出的熱量又反過(guò)來(lái)對(duì)可燃固體及其分解放出的氣體進(jìn)行加熱，于是形成一個(gè)循環(huán)過(guò)程，使燃燒愈來(lái)愈猛烈。 當(dāng)燃燒不可控制時(shí)，就會(huì)形成火災(zāi)。為了阻止燃燒的進(jìn)行，必須切斷燃燒過(guò)程中的三個(gè)要素中的任何一個(gè)。

三、鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過(guò)程

建筑用鋼（Q235、Q345鋼等）在全負(fù)荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540oC左右。鋼材的力學(xué)性能隨溫度的不同而變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度（fy）、抗拉強(qiáng)度（fu）和彈性模量（E）的總趨勢(shì)是下降的。

a）鋼材溫度在150oC以下時(shí)，變化不大;

b）當(dāng)溫度在250oC左右時(shí)，鋼材的fu反而有較大提高，但這時(shí)的相應(yīng)伸長(zhǎng)率（δ）較低、沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時(shí)常呈常呈脆性破壞特征，稱為“藍(lán)脆”;

c）當(dāng)溫度超過(guò)300oC時(shí)，鋼材的fu、fy和E開(kāi)始顯著下降，而δ開(kāi)始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變;

d）當(dāng)溫度超過(guò)400oC時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低;

e）當(dāng)溫度超過(guò)500oC時(shí)，其強(qiáng)度下降到40%～50%，鋼材的力學(xué)性能（屈服點(diǎn)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等）迅速下降，低于建筑結(jié)構(gòu)所要求的屈服強(qiáng)度。

四、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的意義

a）減輕鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞，避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中局部倒塌造成滅火及人員疏散的困難;鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)的目的是盡可能延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)到達(dá)臨界溫度的過(guò)程，以爭(zhēng)取時(shí)間滅火救人。

b）避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中整體倒塌造成人員傷亡

c）減少火災(zāi)后的修復(fù)費(fèi)用，縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)周期，減少間接經(jīng)濟(jì)損失。

五、鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)原則

1.鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》及《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等的有關(guān)規(guī)定。建筑師應(yīng)根據(jù)規(guī)范慎重并合理地確定建筑的防火類別與防火等級(jí)。

2.鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)是在采用各種防火措施的條件下，能保證鋼結(jié)構(gòu)在規(guī)范所規(guī)定的耐火極限時(shí)間內(nèi)，其承載力仍不小于各種作用和組合效應(yīng)。

六、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法

1.截流法

是截?cái)嗷蜃铚馂?zāi)產(chǎn)生的熱量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)升高的溫度不超過(guò)其臨界溫度。做法是在構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量首先傳給這些保護(hù)材料，再由保護(hù)材料傳給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好的阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用。截流法分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

1.1 噴涂法：是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。防火涂料涂層本身多孔輕質(zhì)，并且受熱后形成炭化泡沫層，能有效的阻止熱量迅速向鋼結(jié)構(gòu)傳遞;涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出水蒸氣或其他不燃?xì)怏w，也起到消耗熱量、降低火焰溫度和稀釋氧氣的作用。

1.2 包封法：是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護(hù)層，將構(gòu)件包封起來(lái)，具體做法如下：用現(xiàn)澆混凝土、砂漿和膠泥做耐火保護(hù)層。這種材料既有不燃性，又有較大熱容量，減緩構(gòu)件升溫效果很好。用礦物纖維（石棉、巖棉和礦渣棉）做耐火保護(hù)層。具體做法是將礦物纖維和水泥混合，用特殊噴槍與水的噴舞同時(shí)向底部噴涂，構(gòu)成海綿狀的覆蓋層。用耐火輕質(zhì)板作為防火外包層。鋼結(jié)構(gòu)防火用板材分為兩類：一類為密度大、強(qiáng)度高的薄板，如短纖維增強(qiáng)的各種水泥壓力板;另一類是密度較小的厚板，如輕質(zhì)硅酸鈣防火板及膨脹蛭石防火板。板材不同厚度與不同構(gòu)造的耐火性能、時(shí)限等，均應(yīng)有國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)認(rèn)定。防火板由工廠加工，它的表面平整，裝飾性好?？刹捎冕敽霞梆ず蟿ず?。

1.3 屏蔽法：把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，火災(zāi)時(shí)可使鋼結(jié)構(gòu)升溫大為延緩，大大提高鋼結(jié)構(gòu)耐火能力。

1.4水噴淋法：在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)開(kāi)始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到保護(hù)作用。

2.疏導(dǎo)法

是在熱量傳到構(gòu)件上后，設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護(hù)作用。主要是充水冷卻保護(hù)法，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件采用空心封閉截面，在空心截面中充滿水，發(fā)生火災(zāi)時(shí)構(gòu)件把吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過(guò)循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件溫度便可保持在100oC左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)最有效的方法。但由于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有專門的要求，造成鋼結(jié)構(gòu)截面較大，目前實(shí)際應(yīng)用很少。

3.以上介紹的各種防火保護(hù)方法各有特點(diǎn)

采用防火涂料進(jìn)行阻燃的方法被認(rèn)為是有效的措施之一， 目前90%左右的鋼結(jié)構(gòu)防火工程做法是應(yīng)用防火涂料。

七、防火涂料的分類

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的類型可根據(jù)不同的方法來(lái)定義：從基材來(lái)分，可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)防火涂料;根據(jù)防火機(jī)理分，可分為非膨脹型和膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料;根據(jù)涂層厚度來(lái)分，可分為厚型、薄型、超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

八、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選擇及注意事項(xiàng)

1.實(shí)際工程中選用的防火涂料必須有國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)其耐火性能認(rèn)可的檢測(cè)報(bào)告及生產(chǎn)許可證。

2.民用建筑及大型公用建筑的承重鋼結(jié)構(gòu)宜采用防火涂料防火，由建筑師與結(jié)構(gòu)工程師按建筑物耐火等級(jí)及耐火時(shí)限，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》選用涂料的類別及構(gòu)造做法。

3.選用時(shí)宜優(yōu)先選用薄涂型防火涂料，選用厚涂型涂料時(shí)，其外需做裝飾面層隔護(hù)。裝飾要求較高的部位可選用超薄型防火涂料。

4.重要的鋼柱構(gòu)件采用防火涂料保護(hù)時(shí)，一般應(yīng)采用厚涂型防火涂料，且節(jié)點(diǎn)部位宜做加厚處理。當(dāng)所用防火涂料的粘接強(qiáng)度小于0.05Mpa時(shí)，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連接的鋼絲網(wǎng)。

5.防火涂料的施工應(yīng)由專業(yè)隊(duì)伍承擔(dān)，并按《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》檢查驗(yàn)收。

九、結(jié)束語(yǔ)

以上從鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的概述，燃燒原理及火災(zāi)產(chǎn)生原因，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞過(guò)程，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的意義、原則，防火涂料的分類、選用原則等多個(gè)方面介紹了鋼結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)原則我們?cè)谧鲣摻Y(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)的時(shí)候要認(rèn)真遵循，為用戶提供安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》 CECS 24_90.

[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003.

[3] 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2006.