浅谈钢结构建筑的防火设计

　　摘要:本文围绕着钢结构建筑的防火设计，主要介绍了钢结构的性能、在火灾时的破坏机理及防火保护设计的措施等问题。

　　关键词:钢结构，防火设计，防火涂料

　　引言

　　近年来，钢结构在建筑工程中发挥着越来越重要的作用。特别是1985年,我国兴建了第1幢高层钢结构建筑\"深圳发展中心大厦\"以来，开辟了我国建筑钢结构的新领域。为了建筑方面的规例的功能要求，做好消防安全是非常的必要的，以确保规定的期限内建筑物的稳定。本文论述了钢结构抗火设计及防火保护的基本方法。

　　一、钢结构建筑的特点

　　钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比具有以下特点：

　　（1）钢材材质均匀，可认为为理想的弹性材料，受力状态简单明了。

　　（2）钢材的塑性和韧性好，有利用提高结构的抗震性能。

　　（3）钢结构强度高，自重轻，降低结构的自振周期，减小结构设计内力，降低基础造价。

　　（4）钢结构制作周期短、施工速度快等。

　　钢结构优点很多，但却有一个致命的缺陷：耐火性能差，结构发生火灾后在很短的时间内就能把建筑物烧毁。文中针对钢材的抗火性能，参考了国内外的资料，总结出了钢结构的抗火设计方法及保护方法，并给出一些建议，为钢结构的设计提供参考。

　　二、钢结构在火灾时的破坏机理

　　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。很多研究成果表明,当温度不超过600℃时,在恒定荷载作用下,钢材的变形过程可以考虑为不依赖于时间的过程,其徐变的影响可以包括在应力—应变关系中。在最低温度20℃时,承受240N/mm2左右的应力时应变为2.54mm;在临界温度600℃时,同样应变为2.54mm时,只能承受约30N/mm2左右的应力,相差了约7倍。因此,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。

　　三、钢结构的防火保护设计措施

　　钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷。但是钢材作为建筑材料，在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。钢随着温度的升高而失去钢的强度和刚度。图1显示了钢强度和温度之间的关系。在火灾感知上面，钢构件的设计荷载为周围环境温度，然后钢结构专用防火保护材料的钢构件，以确保某个特定的温度不超过极限温度。

　　3.1钢结构防火保护设计方法

　　除了进行基本的抗火设计我们必须考虑可行的防火保护，将两者紧密的结合起来，钢结构的防火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢结构表面到达临界温度的时间。主要方法有以下几种：（1）包封法；（2）屏蔽法；（3）水冷却法；（4）喷涂法。以下主要介绍屏蔽型防火和涂料型防火。

　　（1）屏蔽法：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。屏蔽是一种最为经济的防火方法。即将钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间的空隙里，只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。另外还有采用钢结构防火涂料保护构件，这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点，一般不需要添加辅助设施，且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用，属于现代的先进防火技术措施。从建筑构造的角度看有以下几种常见形式:

　　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。另外在很多现代金属建筑中有一种结构外露的现象,除了展现结构与构造节点的力量美之外,在防火方面也很有益处。金属构件置于围护结构的外围,并保持一定的距离,当火灾发生时金属构件可以免受火焰的作用,隔墙板则可以起到隔热的作用,而且在发生火灾的情况下,外部空气保证了自然通风,起到了自然冷却金属构件的作用,也是一种变相的防火屏障。

　　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,因此可采用混凝土包裹或者耐火砖包裹。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。上海浦东的世界金融大厦的钢柱即采用这种方法。但是,混凝土与砖的耐火极限随着厚度的增加而增加,因此采用这种防火措施的钢构件通常身材臃肿占地较多,同时在一些构件上的施工也较为困难,特别是钢梁、斜撑等构件。同时也不利于材料的经济节约,在要求达到通透轻盈效果的钢结构建筑中,采用这种保护方法是很困难的。。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⋯⋯板材保护的做法有直接包裹或贴敷、使用加固铁件连接、软性材料缠绕等。

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