谈谈钢结构的防火

通过对 9.11 恐怖袭击造成世贸大厦倒塌的事件，提出了钢结构防火的重要性,以及钢结构防火存在的问题。通过对钢构件在火灾条件下的破坏机理和钢结构防火原理的介绍，探讨钢结构防火的设计方法、钢结构防火构造措施以及钢结构防火材料的应用技术。

1、通常建筑用钢在负载的情况下，失去静态平衡稳定性的临界温度为 540℃左右，一般在300－400℃时，其强度开始迅速下降，到 500℃左右，其钢材的力学性能诸如屈服点、抗压强度、弹性模量等都迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度，也就是低于建筑结构的承载许用应力．1999 年 5 月 5 日北京玉泉营环岛家具城失火，结构防火未达标，造成 1. 3万 mm2钢结构轻体建筑全部倒塌，造成自接经济损失达到 2087 万，2001 年 9 月 11 日，震惊世界的“911 事件”中被飞机损毁的纽约世贸大楼，事后专家分析认为，其实飞机并没有将大楼撞倒，而是由于飞机在撞到大楼的同时破坏了大楼钢结构上的防火涂层，并爆炸起火,使得钢结构暴露在熊熊烈火中，在一个多小时后，结构软化，强度丧失而倒塌，造成几千人命丧废墟，损失多达几百亿美元。















2. 钢结构防火的意义
2.1 减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的：是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。
2..2避免钢结构在火灾中整体倒塌，造成人员伤亡。
2.3 减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失

3. 钢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钢结构构件的，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(图 2 是高温下屈服强度为 255 N/ mm2钢材的应力—应变曲线)。在温度 20℃时，承受 240 N/ mm2 左右的应力时，应变为 2. 54 mm，在临界温度 600℃时，同样应变为 2. 54 mm 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。
4. 钢结构防火构造措施及材料
钢结构的受力性能好，但其耐火性能差，一般情况下，裸露钢结构的耐火极限仅 15min，所以钢结构的防火措施是十分必要的。
4.1 加强保护受力状态不好的部位，如静定结构耐火性不如超静定结构，不偏心受压柱不如小偏心受压柱，小偏心受压柱不如轴心受压柱。
4.2 钢材种类:不同的钢材在温度作用下强度降低系数不同，普通低合金钢优于普通碳素钢，普通碳素钢优于冷加工钢，而高强钢丝最差。所以配置 16Mn 钢的构件稳定性最好，而预应力钢筋最差。
4.3 截面形态与尺寸，当截面周长与截面面积之比较大者，截面接受热量多，耐火性差，受火时最热的部位是凸角部位，温度更容易损坏细长型的构件。
4.4 在钢结构表面做耐火保护层。
①用现浇混凝土做防火保护层，常用材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等，如在钢材表面加钢丝网，耐火性能更好。
②用砂浆或灰胶泥做耐火保护层，常用材料一般有砂浆、轻质砂浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石膏灰胶泥。其施工方法常为钢丝网上涂抹砂浆或灰胶泥。
③用矿物纤维做耐火保护层，其材料有石棉、岩棉及矿渣棉，其具体方法是矿物纤维与水泥混合，再用喷枪与水的喷雾向底子喷涂。
④用防火板材做耐火保护层，即以防火板材包覆钢构件，板间连接可采用钉合及粘合。
4.5 钢梁、钢屋架下做耐火吊顶，可以使钢梁的升温大为减缓。此时则不能仅按钢构件本身的耐火极限来考虑。应按钢梁下作耐火吊顶组合构造的隔热性能数据计算其耐火极限，不同的防火保护材料及结构对钢结构防火保护形式，如图 3.图 4 所示。



















4.6 在钢构件表面涂覆防火涂料，这是应用前景十分广阔的一种方法，可经过计算来确定防火涂料的涂层厚度，其计算公式已比较成熟。防火喷敷保护材料对钢结构有很好耐火保护作用，喷敷保护技术最大优点是：能够保护结构复杂的钢结构防火性能施下方便简捷等。
防火喷敷材料可分为反应性材料和非反应材料等。
1） 反应性防火保护材料主要是膨胀防火涂料，它有薄型防火涂料和超薄型防火涂料。
① 薄型钢结构防火涂料，该类防火涂料受火时能膨胀发泡，以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的温升，保护钢构件。该涂料一般是用合适的乳液聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这类防火涂料，要求选用的乳液聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性。其装饰性优于厚浆型防火涂料，一般耐火极限在 2 小时左右。因此常用在 2h 耐火极限的钢结构防火保护工程中。
② 超薄型钢结构防火涂料,该类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层，该防火层延缓了钢材的温升，提高了钢构件的耐火极限。超薄型钢结构防火涂料施下可采用喷涂、刷涂或滚涂，一般使用在耐火极限要求在 2. 0 小时以内的建筑钢结构上。也可对一类建筑物中的梁、楼板与屋顶承重构件，及一类建筑中的柱、梁、楼板等进行有效防火保护。
2) 非反应性防火保护材料主要是隔热防火涂料和无机纤维丝等。
① 厚型钢结构防火涂料,该类防火涂料在火灾中利用材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢材。这类防火涂料是用合适的粘结剂，再配以无机轻质材料、增强材料组成，具有成本较低的优点。施下常采用喷涂，一般用在耐火极限>2h的钢结构防火保护中。
②无机纤维丝保护材料,该类防火保护是利用无机纤维材料在喷敷设备的辅助下，对钢结构进行防火保护。它在火灾中利用材料的不燃性、低导热性或吸热性等，延缓钢材的温升，保护钢材。
4.7 试验表明连接部位(如焊接和高强螺栓连接)在火作用下没有特殊破坏现象，因此焊接和高强螺栓连接部位,在满足常温状态下的功能要求和具有与其他部位相同的防火措施，可不做特殊处理。

5. 总结
钢结构因其自身独特的优点将得到越来越广泛的应用，但是由于钢材不耐火，极易导热的性质，对钢结构的防火保护迫在眉睫，希望在不久的将来，随着新科技的不断发展，钢结构的防火保护措施能够更加多样化，研制出更加价廉、耐火性能更加可靠的保护层，应用于钢结构建筑之中。