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淺談鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]


    淺談鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程中較普通的結(jié)構(gòu)形式之一。我國是最早用鐵制造承重結(jié)構(gòu)的國家，遠在秦始皇時代(公元前246-219年)，就已經(jīng)用鐵做簡單的承重結(jié)構(gòu)，而西方國家在17世紀才開始使用金屬承重結(jié)構(gòu)。公元3-6世紀，聰明勤勞的我國人民就用鐵鏈修建鐵索懸橋，著名的四川瀘定大渡河鐵索橋，云南的元江橋和貴州的盤江橋等都是我國早期鐵體承重結(jié)構(gòu)的例子。

    我國雖然早期在鐵結(jié)構(gòu)方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束縛，科學不發(fā)達，因此，長期停留于鐵制建筑物的水平。直到19世紀末，我國才開始采用現(xiàn)代化鋼結(jié)構(gòu)。新中國成立后，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，不論在數(shù)量上或質(zhì)量上都遠遠超過了過去。在設(shè)計、制造和安裝等技術(shù)方面都達到了較高的水平，掌握了各種復雜建筑物的設(shè)計和施工技術(shù)，在全國各地已經(jīng)建造了許多規(guī)模巨大而且結(jié)構(gòu)復雜的鋼結(jié)構(gòu)廠房、大跨度鋼結(jié)構(gòu)民用建筑及鐵路橋梁等，我國的人民大會堂鋼屋架，北京和上海等地的體育館的鋼網(wǎng)架，陜西秦始皇兵馬傭陳列館的三鉸鋼拱架等。

    1.鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

    1.1鋼結(jié)構(gòu)的重量輕，雖然鋼的比重大，但因其機械性能很好，可以承受較大的荷載，故鋼結(jié)構(gòu)件截面尺寸小，同樣跨度同樣荷載時，鋼屋架的重量最多不過鋼筋混凝土屋架的1/4或1/3，鋼結(jié)構(gòu)的重量小，便于運輸。

    1.2.材質(zhì)均勻，與力學計算的假定比較符合，鋼材內(nèi)部組織比較均勻，按近于各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況與建筑力學計算的結(jié)果比較符合。

    1.3.鋼結(jié)構(gòu)制造、安裝機械化程度高。鋼結(jié)構(gòu)具有某種段度的技術(shù)密集型性質(zhì)，鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單一，而且是成品，加工簡便，機械化程度高，建造迅速，容易保證質(zhì)量，適宜于成批大量生產(chǎn)，從構(gòu)件的工廠加工到現(xiàn)場吊裝，工業(yè)化程度大大高于具有勞動密集性質(zhì)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

    1.4.鋼結(jié)構(gòu)安裝施工簡便。綱結(jié)構(gòu)由專業(yè)化金屬構(gòu)件廠生產(chǎn)構(gòu)件(梁、屋架、柱等)，在工地上用電焊或螺栓(或高強螺栓)連接起來，施工安裝簡便迅速，提高施工速度，已成為降低工程造價的最主要因素，結(jié)構(gòu)造價問題已降到次要的地位。而且，螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)便于改造拆遷。

    1.5.鋼結(jié)構(gòu)在平面布局上的靈活性，則是另一重要特點。在信息時代的今天，對室內(nèi)平面，空間和內(nèi)部設(shè)施的要求更加嚴格了。原先的布局和設(shè)備，不久就可能變成不太適用或完全不適用，鋼結(jié)構(gòu)卻可為平面重新布局提供更大的可能性，從而延長建筑物的使用壽命。

    鋼結(jié)構(gòu)雖然有這么多優(yōu)點，但卻有一個致命的缺點：不耐火。鋼材雖然是不燃材料，但在火災高溫作用下，其力學性能如屈服強度、彈性模量等卻會隨溫度升高而降低，在550℃左右時，降低幅度更為明顯，一般在15分鐘左右就會喪失承重能力而垮塌。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑物的火災案例都證明，發(fā)生火災后20分鐘以內(nèi)就把建筑物燒垮，最后形成一片廢墟。1973年5月天津市體育館火災，1969年12月上海文化廣場火災，1972年8月北京二七機車車輛廠纖維板車間火災，都曝露了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差的致命弱點。

    2.鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護方法。

    由于鋼結(jié)構(gòu)耐火能差，在火災高溫作用下很快失效倒塌，耐火極限僅15分鐘，若采取措施，對鋼結(jié)構(gòu)進行保護，使其在火災時溫度升高不超過臨界溫度，鋼結(jié)構(gòu)在火災中就能保持穩(wěn)定性，對鋼結(jié)構(gòu)采取的保護措施，從原理上來講，主要可劃分為兩種：截流法和疏導法。

    2.1.截流法

    截流法的原理是截斷或阻滯火災產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫升不超過其臨界溫度。其作法是構(gòu)件表面設(shè)置一層保護材料，火災產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護材料，再由保護材料使給構(gòu)件。由于所選材料的導熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。

    2.1.1.噴涂法

    噴涂法是用噴涂機具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機防火涂料和無機防火涂料兩類，按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型兩類，薄涂型鋼結(jié)構(gòu)涂料涂層厚度一般為2～7mm，有一定裝飾效果，高溫時涂層膨脹增厚，具有耐火隔熱作用，耐火極限可達0.5～1.5小時，這種涂料又稱綱結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度一般為8～20mm，粒狀表面，密度較小，導熱系數(shù)低，耐火極限可達0.5～3.0小時，這種涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料。

    鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理有三個：一是涂層對鋼基材起屏蔽作用，使鋼結(jié)構(gòu)不至于直接暴露在火焰高溫中。二是涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出的水蒸汽或其他不燃氣體，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。三是涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成碳化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強度的降低，從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。

    薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要品種有：LB、SG?1、SB?2、SS?1鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要品種有：LG鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料、STI?A、JG276、ST?86、SB?1、SG?2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等。

    在噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時，噴涂的厚度必須達到設(shè)計值，節(jié)點部位宜適當加厚，當遇有下列情況之一時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼結(jié)構(gòu)相連的鋼絲網(wǎng)，以確保涂層牢固。

    ??承受沖去振動的梁

    ??設(shè)計層厚度大于40mm寸

    ??粘貼強度小于0.05MPa的涂料

    ??腹板高度大于1.5m的梁

    噴涂法適用范圍最為廣泛，可用于任何一種鋼構(gòu)件的耐火保護。

    2.1.2.包封法

    包封法就是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護層，將構(gòu)件包封起來，其具體做法有：

    2.1.2.1.用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護層。所使用的材料有混凝土、輕質(zhì)混凝土及加氣混凝土等。這些材料既有不燃性，又有較大的熱容量，用作耐火保護層能使構(gòu)件的升溫減緩。由于混凝土的表層在火災高溫下易于剝落，可在鋼材表面加敷鋼絲網(wǎng)，進一步提高其耐火的性能。

    2.1.2.2.用砂漿或灰膠泥作耐火保護層。所使用的材料一般有砂漿、輕質(zhì)巖漿、珍珠巖砂漿或灰膠泥、蛭石砂漿或石灰膠泥等。上術(shù)材料均有良好的耐火性能，其施工方法常為金屬網(wǎng)上涂抹上述材料。

    2.1.2.3.用礦物纖維。其材料有石棉、巖棉及礦渣棉等。具體施工方法是將礦物纖維與水泥混合，再用特殊噴槍與水的噴霧同時向底子噴涂，構(gòu)成海綿狀的覆蓋層，然后抹平或任其呈凹凸狀。上述方式可直接噴在鋼構(gòu)件上，也可以向其上的金屬網(wǎng)噴涂，且以后者效果較好。

    2.1.2.4.用輕質(zhì)預制板作耐火保護層。所用材料有輕質(zhì)混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸鈣成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述預制板包覆構(gòu)件，板間連接可采用釘合及粘合。這種構(gòu)造方式施工簡便而工期較短，并有利工業(yè)化。同時，承重(鋼結(jié)構(gòu))與防火(預制板)的功能劃分明確，火災后修復簡便且不影響主體結(jié)構(gòu)的功能，因而具有良好的復原性。

    2.1.3.屏蔽法

    屏蔽法是把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，在鋼梁、鋼屋架下作耐火吊頂，火災時可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火能力，而且這種方法還能增加室內(nèi)的美觀，但要注意吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應(yīng)嚴密，防止竄火。

    2.1.4.水噴淋法

    水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災時，自動啟動(或手動)開始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護作用。

    由上述可知，這些方法的共同特點是設(shè)法減小傳到構(gòu)件的熱流量，因而稱之為截流法。

    2.2.疏導法

    與截流法不同，疏導法允許熱量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導走或消耗掉，同樣可使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護作用。

    疏導法目前主要是充水冷卻保護這一種方法。該方法是在空心封閉截面中(主要是柱)充滿水，火災時構(gòu)件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導走，構(gòu)件溫度便可保持在100℃左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護最有效的方法。該系統(tǒng)工作時，構(gòu)件相當于盛滿水被加熱的容器，象燒水鍋一樣工作。只要補充水源，維持足夠水位，而水的比熱和氣化熱又較大，構(gòu)件吸收的熱量將源源不斷地被耗掉或?qū)ё摺?br />
    冷卻水可由高位水箱或供水管網(wǎng)或消防車來補充。蒸氣由排氣口排出。當柱高度過大時，可分為幾個循環(huán)系統(tǒng)，以防止柱底水壓過大，為防止銹蝕或水的冰結(jié)，水中應(yīng)摻加阻銹劑和防凍劑。

    水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱聯(lián)通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱，后者既能蒸發(fā)散熱，還能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導向非火災區(qū)溫度較低的柱。
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