浅析钢结构建筑防火的技术要求

浅析钢结构建筑防火的技术要求

摘要：钢结构建筑以其自身的优越性．为建筑业内所认可，与国外相比．我国钢结构建筑的发展近年来相对落后．特别是针对钢结构建筑安全的防火规范更是相对滞后。本文倡导推广钢结构建筑的发展，并希望推动相关规范的制定。

关键词：钢结构建筑； 防火设计； 防火措施

Abstract: The steel construction with its own superiority recognized by the construction industry, compared with foreign countries. The development of steel construction in China is relatively backward in recent years. In particular, the fire safety norms for the safety of steel construction are lagging behind. This article advocates promoting the development of steel construction, and hoping to promote the formulation of the relevant norms.Key words: steel construction; fire design; fire prevention measures

前言

我国目前建筑的结构形式主要是以钢筋混凝土结构为主，部分地区还是以砖混结构、甚至砖木结构为主要结构形式。与此对应的钢结构建筑形式采用的相对较少。基本只有大型公共建筑才选用钢结构。钢材具有难燃、抗震和抗弯特性好等优点，而且避免了钢筋、混凝土等建筑材料相对较弱的力学性能。钢结构建筑在环保、节能、工厂化生产等方面显示出其独特的魅力。因此钢材受到了建筑行业的青睐，钢结构也是目前全世界建筑发展的趋势。

1 、结构构件在火灾条件下的破坏机理

火灾发生时产生的热量是以辐射和对流传给结构构件的，即使构件是不燃的，由于温度上升也会引起膨胀和强度的降低。热膨胀引起构件伸长，或两侧受热不均时引起构件弯曲，产生位移或约束力，在刚性框架结构中，由于横梁伸长而产生的约束增大，可能把柱子从其承载处推开，使结构受到破坏，引起垮塌。钢结构构件在温度升高时，强度会降低。钢结构构件在达到屈曲强度时会有很大的塑性变形，肉眼很容易观察。高温时钢结构构件的受力状况十分不利，防火设计是钢结构的结构和构造设计过程中十分重要的一环。

2、结构抗火设计方法的理论阐述

钢结构的“抗火设计”是结构设计的专业用语，将抵抗火灾与抵抗重力、 抵抗风荷载、抵抗地震作用相提并论，通过对结构构件采取防火保护措施，使其在火灾中承载力降低不多而满足受力要求来实现，强调的是结构抵御火灾影响(包括温度应力、高温材性变化等)，需要考虑荷载与约束条件，此时火灾是一种结构荷载，影响承重构件的尺寸和构造。总而言之，“抗火设计”可以归结为设计“结构防火”保护措施，使构件在承受确定外荷载条件下，满足“结构耐火”时间要求。以下是抗火设计的几种方法：

1.1基于试验的构件抗火设计：一种简单、 直观的方法，通过对不同构件(梁、 柱)在规定荷载分布和标准升温条件下进行耐火试验，确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间。我国现行《建筑设计防火规范》 ( GBJ16 —87)中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。

1.2基于计算的构件抗火设计方法：以有限元或经典解析分析方法为主，进行理论研究，考虑任意荷载形式和端部约束状态影响的钢构件抗火设计。上海市标准 《钢结构防火技术规程》 即采用此法。

1.3基于计算的结构抗火设计方法：以防止整体结构倒塌为目的，基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计。此法尚未有适于工程实用的方法被有关规范采纳。

1.4考虑火灾随机性的结构抗火设计方法：概率可靠度是现代结构设计中不可或缺的因素，结构抗火的概率可靠度设计必须考虑火灾与空气升温的随机性。这涉及到另一门学科的研究，有待发展。

3、钢结构的防火保护措施

现有的钢结构防火保护措施有很多种，从原理来分主要可以分为屏蔽型和涂料型。这两种方法都是外保护的措施，原理很简单，但难免有治标不治本之弊。

3. 1屏蔽型防火

屏蔽型防火的原理是通过将金属构件用耐火材料与火源隔断，从而保护钢构件。从建筑构造的角度看有以下几种常见形式：

3.1.1在一些特殊的部位设置防火屏障，将火源隔开，起到防火墙的作用，如：钢梁下安装防火平顶、 钢柱外侧设置一定宽度的防火板等，可以省却钢桁架、 钢网架等的防火保护层。在室内防火处理时，有时可以采用这种方法将火灾发生频率高的防火分区与主要结构构件隔离开。

3.1.2使用混凝土与耐火砖完全封闭钢构件。混凝土与砖是天然的耐火材料，它们本身具有耐火性能，根据厚度的不同耐火极限也不同，因此可以使用混凝土或砖来包裹钢构件，使钢构件达到一定的耐火极限。采用这种防火措施的钢构件通常占地较多，同时施工也较为困难，特别是钢梁、 斜撑等构件。

3.1.3采用耐火轻质板材作为防火外包保护层耐火轻质板材的主要材料是水泥、 石膏、 硅酸钙、 蛭石、 陶瓷纤维、 岩棉、 砾石这些耐火、 无毒的物质，加工成板材以后，通过不同的构造方法制成保护层。有采用软性的陶瓷纤维毡缠绕在钢构件上的，有使用掺无机纤维硅钙板、 蒸压轻质混凝土板、 无机纤维强化石膏板、 挤压成型水泥、 预制混凝土板直接贴敷的。

3. 2涂料型防火

涂料型防火的原理较为简单，通过涂抹耐火的涂料来抵抗火焰。通常防火涂料分为两种：薄型和厚型，也可以说是膨胀型和非膨胀型。

3.2.1薄型涂料(膨胀型涂料) ：涂膜厚度为 1～2 mm，常温下较稳定，火灾时受热起泡、 膨胀数十倍，形成隔热性能极佳的碳化层，保护钢构件不受火灾的毁损。薄型耐火涂料的构成很简单，经过对钢构件的基底清理和涂完防锈漆(底漆)之后，涂刷具有耐火性的耐火底衬(中间涂层)，接着涂敷外保护层(外饰层)就可以了。

3.2.2厚型涂料(非膨胀型涂料) ：主要为无机绝热材料，受热不膨胀，自身有良好隔热性，涂层厚度不等，可有 7～50 mm，对应耐火极限为 0. 5～3 h 以上，以蛭石、 珍珠岩、 矿物纤维为主要绝热骨料，分为干、 湿法施工，现在也有混合施工法。

4对于钢结构防火的一些认识

在不断研究开发出新的防火板材材料的同时，研究可以耐火的钢材是全世界从事钢结构研究的工程师们共同努力的目标。大家都希望有一天钢材象混凝土和耐火砖一样能靠自己来决定耐火时限，目前当然是不可能的。

4. 1采用不同的防火极限

火灾的发展状况通常是通过火灾标准实验得到的。在钢结构的建筑中，同一种建筑类型可以采用不同的防火极限。对于可燃物少的建筑和空间大的房屋，不是依据标准的火灾加热法来测试而是根据可能设定的、 与用途相吻合的加热条件来测试，可以相应降低钢结构构件的保护层厚度。

4. 2对建筑物进行耐火设计

根据建筑物火灾的规定、 建筑的使用材料以及施工方法等的不同对建筑进行单体评估。通过对火灾温度和发生时间、 钢材温度和相关时间的测定以及对构件及结构的承载力、 变形和相关时间的测定来评测钢材的温度、 结构的变形是否满足要求。

4. 3被动防火与主动防火的结合

在钢结构防火设计中考虑主动的防护保护措施，如喷水装置。在一栋发生火灾但未失稳的建筑物里，致命的危险是烟而不是火，喷水装置可以切断烟气有效的保障生命。

4. 4发展的趋势

由已完成的试验可知，火荷载下，标准构件和实际结构构件的变形有很大的出入。根据相关实验，结果表明柱子是结构安全最重要的构件，而且当梁的温度达到 1100 ℃ 几乎失去承载能力时，金属复合楼板尽管已经变形但没有倒塌，使建筑结构的耐火性大大超过当前的假设。在钢结构火灾的设计与防护方面将有更大的发展，除了钢材本身成分的改变成为耐火钢以外还将通过结构计算的处理让钢结构在火灾时发挥最好的承载能力。

5、结语

钢结构作为目前世界范围内的广泛使用的结构形式，在我国的使用有着极大的局限性，除了考虑造价高等主观原因外，国家相应的技术支持不够，相关的规范不全面，也是制约的原因。希望本文可以为钢结构在我国的发展起到推进作用。

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