钢结构建筑防火

1前言

随着我国经济的飞速发展，城市圈建设逐步纳入国家经济建设中来，城市在不断扩大的同时，一座座摩天大楼、大型工厂、体育场馆、飞机场等平地而起，且其建设速度之快，极大推动了城市建设的步伐。建筑自人类社会产生以来的很长时间里运用的都是石材，木材等，而随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛，钢材就是其中普遍采用的一种。钢结构不仅以其自重轻、强度高、抗震性能好、吊装施工方便和建设时间短等优点吸引了诸多建筑商们纷纷采用，而且还是一种节能环保型，能循环使用的建筑结构。以钢结构为主体的建筑已逐步成为现代空间结构发展的主流，钢结构建筑材料被广泛应用于超高层建筑、大跨度空间结构、桥梁、高塔、房屋等工程建设中，体现了一个国家的建筑科技水平、材料工业水平和综合技术水平。从上个世纪的北京人民大会堂、首都机场、上海东方明珠电视塔，到本世纪的北京2008年奥运会主体育场“鸟巢”都是我国钢结构建筑发展历史上的里程碑。

但是，随着钢结构建筑材料的广泛运用，人们发现用这种材料建成的大厦一旦遇到火灾，非常容易倒塌，钢材料的耐高温性能很差，带来的灾难就是致命的。美国世贸大厦受到恐怖飞机袭击后整栋大楼倒塌就是一个明证，这无疑更加引起了人们对钢结构建筑物火灾防范提高了警惕。

2钢结构的建筑优点

2．1钢结构定义

钢结构是指由钢板、型钢、钢管、钢绳、钢束等钢材，用焊、铆、螺栓或胶等连接而成的结构。

2．2 钢结构的建筑优点

钢结构与其它砖混结构、钢筋砼结构相比，在使用功能、设计、施工，以及综合经济方面都具有优势，主要体现在以下几个方面：

①自重轻、承载能力大、抗震性能好。钢结构的重量轻，便于运输、吊装；因其机械性能很好，可承受较大的荷载，同样跨度同样荷载时，钢屋架的重量最多不过钢筋混凝土屋架的1/4或1/3；而且钢材具有延性，能较好的消耗地震带来的能量，所以抗震性能好，结构安全度高。

②预工程化程度高，建设成本降低。钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产，提高了建筑预工程化，使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化，大大降低了建设成本；并且加快了施工速度，使工期能够缩短40％以上，从而加快了房地产开发商的资金周转速度，使建筑能更早投入使用。

③工厂化生产、施工机械化程度高。生产钢结构所用的材料是单一成品，加工简便，适宜于成批大量生产，从构件的工厂加工到现场吊装，整个过程机械化程度高，也极大缩短了工期。

④能够满足超高度和超跨度的要求。钢材组织均匀、强度高，弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石，混凝土，木材，在同样受力情况下钢结构自重小，从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。

⑤原材料可以循环使用，有助于环保和可持续发展。发展钢结构对于资源，能源都非常短缺的我国意义尤为重大。钢材是一种高强度高效能的材料，具有很高的再循环价值，边角料也有价值，不需要制模施工。目前，国际上引人瞩目的新型环保节能住宅产品已引入我国，与砖混结构住宅相比，可节能60％以上，冬夏季空调设备可节约耗电30％以上，结构的废旧利用为100％。

3 钢结构建筑的火灾危险性

众所周知，钢材具有较好的耐热性，本身并不会燃烧。基于这一事实，可能多数人认为‘钢材根本不会着火，所以对于钢结构就根本没有必要采取什么防火措施’。那么我们来看几个例子：2002年9月11日，美国纽约的世界贸易大厦在恐怖袭击中，在大火的作用下主楼仅仅经过30分钟便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案，这个世界上最著名建筑就此消失在我们面前。2003年我国青岛市的正大食品厂钢结构厂房发生特大火灾，造成厂房大面积倒塌，20多名工人葬生火海；1972年天津市体育馆发生火灾，致使屋顶坍塌，造成巨大人员伤亡。血的教训告诫我们：钢材作为建筑材料，在给人类社会生产和生活提供便利的同时，也给人们提出一道防火难题。究其原因可归纳为以下三个方面：

3.1耐火性能差

钢结构虽然有很多优点，但却有一个致命的缺点：不耐火。钢材虽然是不燃材料，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在550℃左右时，降低幅度更为明显，一般在15分钟左右就会丧失承重能力而垮塌。在温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。国内外钢结构建筑物的火灾案例都证明，发生火灾后20分钟以内就把建筑物烧垮，最后形成一片废墟。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。

3.2跨度大、空间大，火灾蔓延迅速

跨度大、空间大是钢结构建筑的显著特点，而且大部分钢结构建筑无明显有效的防火分隔，门窗多，内部空气流通好，可燃物料多，一旦发生火灾，热辐射强，烟雾浓，燃烧猛烈，在强大热气流的作用下，火势迅速向垂直、水平方向蔓延，形成大面积火灾。

3.3整体连接性强，易变形倒塌

钢结构作为承重构件，在火灾状态下，遇高温受热膨胀，强度降低，再遇冷水急剧收缩，脆性增强，极易失去支撑作用。由于钢结构整体连接性强，只要局部遭到破坏，就能形成建筑物的整体坍塌和毁灭。

4钢结构建筑的防火保护原理及其方法

钢结构建筑物正常可能使用百年都毫不动摇，但是一旦引发火灾，整个建筑可能就会毁于一旦，因此，钢结构建筑的火灾预防工作成为首当其冲的问题。

4.1防火保护原理

①设置组或屏障，阻隔火焰，不让火焰直接接触钢构件；

②用吸热材料将传递给钢材的热量迅速带走；

③用绝热材料做成外壳，保护钢结构构件，阻止外界的热量传递给钢构件，从而达到防止钢构件湿度迅速升高的目的。

4.2钢结构防火保护方法

由于钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效倒塌，必须对钢结构进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，在火灾中使其能保持稳定性，防止迅速升温发生形变塌落。对钢结构采取的保护措施是多种多样的，关键是要根据不同情况采取不同方法，从原理上来讲，主要可划分为两种：截流法和疏导法。

4.2.1截流法

截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其作法是构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

⑴喷涂法

喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢构件的耐火保护。

钢结构防火涂料的防火原理有三个：一是涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中。二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。

钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为厚涂型、薄涂型和超薄型三类。

根据钢结构防火涂料的施工技术规范要求（CECS 24:90标准），对于隐蔽的钢结构（钢柱、钢梁）及耐火极限高于1.5小时的裸露钢结构（钢柱、钢梁、钢网架、钢屋架），宜选用无机类的厚涂型钢结构防火隔热涂料，涂层厚度一般在7毫米以上，由于涂层容重低（<600公斤/立方米），导热系数小（<0.1瓦/米.开），不仅防火隔热效果好，而且对整个钢结构的重量影响不大；对于耐火极限低于1.5小时、对外观装饰性要求较高的钢结构（主要指轻钢结构的梁、网架和屋架），一般选用薄涂型的膨胀型钢结构防火涂料加以保护，尤其是选用可刷涂施工的超薄型钢结构防火漆（涂层厚度<3毫米）。

为适合钢结构住宅建筑的使用，现在正在研制一种超薄型水溶性防火涂料，该涂料与薄型防火涂料原理相同，其在厚度不大于３ｍｍ，耐火极限不小于１．５ｈ。由于该种涂料为水溶性防火涂料，其环保无毒性能非常适合住宅使用，且其可直接作为装饰漆喷涂在裸露的钢构件表面，既起到了防火保护的作用，又有美观环保的特点，非常适合钢结构住宅使用。其唯一缺点即耐久性差，由于该涂料中，水的比例较高，造成其粘结性能不好，易脱落，需要维护。如果解决此问题，这种防火涂料应用在钢结构住宅建筑中最为适合。

在喷涂钢结构防火涂料时，喷涂的厚度必须达到设计值，节点部位宜适当加厚，当遇有下列情况之一时，涂层内应设置与钢结构相连的钢丝网，以确保涂层牢固。

②承受冲去振动的梁

②设计层厚度大于40mm寸

③粘贴强度小于0.05MPa的涂料

④腹板高度大于1.5m的梁

⑵包封法

包封法就是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：

①用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度，进一步提高其耐火的性能。

②用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上述材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。

③用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。

④用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述预制板包覆构件，板间连接可采用钉合及粘合。这种方法保护层强度高、耐冲击，占用空间较大，适用于容易碰撞、无保护面板的钢柱防火保护，并且施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)与防火(预制板)的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。

⑵屏蔽法

屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。

⑷水喷淋法

水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。

由上述可知，这些方法的共同特点是设法减小传到构件的热流量，因而称之为截流法。

4.2.2疏导法

与截流法不同，疏导法允许热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。

疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。

目前，钢结构建筑日趋增多，尤其是一些超高层建筑，采用钢结构材料更为广泛。一旦发生火灾事故，火不是在短时间内就能扑灭的，这就要求我们在建筑设计时，加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限。只有这样，才能有效地降低火灾带来的人员伤亡和财产损失。