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現代鋼結構建筑的特點及防火保護

作者：建筑鋼結構網    
時間：2011-06-29 08:30:49 [收藏]
隨著改革開放的不斷深入和社會經濟的迅速發展，城市建設日新月異，一些大跨度的超高層建筑不斷涌現，同傳統的木結構、磚石結構和鋼混結構相此，鋼結構因具有強度高...
    關鍵詞：防火 保護 特點 建筑
        隨著改革開放的不斷深入和社會經濟的迅速發展，城市建設日新月異，一些大跨度的超高層建筑不斷涌現，同傳統的木結構、磚石結構和鋼混結構相此，鋼結構因具有強度高、受荷能力強、自重輕、體積小、構件制造與安裝方便等優點得到大量廣泛的應用，比如上海的經茂大廈、福州海峽國際會展中心等都全部或者大部分采用了鋼結構，還有許多大型公共建筑(包括國家太型項目，重點項目)比如體育館、火車站、劇院、飛機場的航站樓等，包括奧運場館，都大部分采用鋼結構建筑。但是鋼結構就其自身耐火性能來講，遠低于磚石和鋼混結構，2001年9月11日，位于美國紐約市中心的世貿大廈遭到兩架民航客機的撞擊，僅過了20多分鐘，這座摩天大廈就轟然倒塌，造成了數干人的重大傷亡。如此龐大的建筑為何這般不堪一擊，建筑學家們眾說紛紜，但有一點是肯定的，那就是和這座建筑的全鋼結構有很大的關系。隨著鋼結構建筑的不斷增加，鋼結構防火問題不容回避。

        1現代鋼結構建筑的特點：

        1，1跨度大、高度高，結構形體靈活

        鋼結構具有：(1)重量輕：鋼材料的密度雖比混凝土等建筑材料大，但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕，因為鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多，在同樣受力情況下鋼結構自重小：(2)強度高，塑性韌性好：在一般條件下不會因超載而突然斷裂，同時鋼結構對動力荷載的適應性強，彈性模量高，使鋼材具有優越的抗震性能；(3)材質均勻：鋼材組織均勻，接近各向同性均勻體，同時鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合；以上特點能夠滿足超高度和超跨度建筑的要求，使鋼結構可以做成跨度大、高度高，結構形體靈活的建筑。如上海盧浦大橋箱型鋼拱跨度達550m，潤揚長江大橋的大跨懸索橋跨度達1490m，上海的金茂大廈高度達420m。

        1，2構件制造和安裝方便

        鋼結構建筑模數的協調統一使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性，可以使建筑的預工程化提高，提高了施工速度。

        1，3建筑外觀藝術化

        現代建筑的設計在完善使用功能的前提下都追求完美的建筑外形，特別有些是城市的標志性建筑更為講究，鋼構件因形體靈活和可拆卸性成為形象構成的重要因素，讓建筑與結構的設計一體化，可以創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。

        1，4原材料重復使用

        我國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑和木結構建筑大國，節約建筑材料資源和提高建筑材料的重復利用率非常必要，尤其對于資源和能源都非常短缺的我國意義尤為重大，鋼材具有很高的再循環利用價值，甚至邊角料都可利用，發展鋼結構建筑對于倡導和發展節約型社會有重要意義。

        2鋼結構建筑的火災危險性

        2，1防火性能差

        在未進行防火保護的情況下，火災時，其強度會迅速下降，約在150℃以內鋼材性能沒有很大的變化，250℃附近出現蘭脆現象，約260℃－320℃時有徐變現象，430℃－540℃之間則強度急劇下降，400℃時屈服應力僅有常溫屈服應力值的50%，按理論計算，在全負荷情況下，使鋼結構失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為500℃，600℃喪失承載能力，一般火場溫度達到800℃～1000℃，在這樣的溫度下裸露的鋼結構很快出現塑性變形，造成鋼材料建筑整體倒塌。

        2，2面積大、空間大，易形成立體燃燒

        鋼結構建筑高度高、空間大的重要特點是空氣流通好、門窗洞口多，發生火災易向上、左右蔓延，且速度極快，易形成大面積的立體燃燒。許多案例證明，這種火災在10－15分鐘就發展到猛烈階段，室內的火可以很快竄向屋頂形成敞開式的大面積燃燒，鋼構件受高溫作用很快失去承重能力而倒塌，而倒塌之后又可加快燃燒和蔓延速度。

        2，3人員密集、疏散困難，易造成群死群傷事故

        鋼結構建筑空間大，容納人數多，少則幾百人，多則幾千人，一旦發生火災，人們往往會因恐懼情緒造成心理上的不安，爭相逃生，容易造成場面混亂，不易組織疏散，又往往因為沒有及時有序的疏散，或因為安全出口不足，或出口被火勢封死，或出口被鎖閉而造成重大的傷亡事故。

        3鋼結構的防火保護原理及措施

        3，1防火保護原理

        目前對鋼結構進行防火保護的方法很多，這些方法從原理上可分為兩種：截流法和疏導法。截流法的原理是截斷或阻滯火災產生的熱量向構件的傳輸，從而使構件在規定的時間內溫升不超過其臨界溫度，這種方法包括噴涂法、包封法、屏蔽法、水噴淋法。疏導法的原理是允許熱流量傳到構件上，然后設法把熱量導走或消耗掉，使構件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護作用，充水冷卻法就是這個原理。

        3，2防火保護措施

        3，2，1噴涂法

        目前在實際工程應用中，鋼結構防火保護方法絕大多數是采用噴涂鋼結構防火涂料法。根據高溫下鋼結構防火涂層遇火變化的情況可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料：

        (1)膨脹型防火涂料：又稱為薄型防火涂料，代號B，涂層厚度一般為2-7mm，有一定的裝飾效果，高溫時膨脹形成比原涂層厚度大十幾倍到數十倍的多孔碳化層，耐火極限可達0.5～1.5小時，這類鋼結構防火涂料一般以有機樹脂為基料，再配以阻燃劑、發泡劑、成碳劑等組成，對這類防火涂料要求選用的聚合物必須對鋼基材有良好的附著力、耐久性、耐水性，通常用在小等于2小時耐火極限的鋼結構防火保護工程中，常采用噴涂施工，該類防火涂料分室內和室外應用兩種類型。室內型產品不能用于室外，室外型則可以用于室內外。

        (2)非膨脹型防火涂料：又稱為厚型防火涂料，代號H，涂層厚度一般為8－50mm，這類防火涂料粒狀表面，密度較小，熱導率低，遇火不膨脹，自身具有良好的隔熱性，耐火極限可達0.5－3小時，又稱為鋼結構防火隔熱涂料。這類防火涂料以無機絕熱材料(如膨脹蛭石，漂珠，礦物纖維)為主，摻加無機粘結劑，在火災中利用材料的不燃性、低導熱性或涂層材料的吸熱性，延緩鋼材的溫升保護鋼材，常用噴涂施工，一般用在耐火極限大等于2小時的鋼結構防火保護中，也有室內和室外兩種類型。

        近年來國外生產出類似于木結構用飾面型防火涂料，應用于鋼結構時涂層厚度只需2－3mm即可使鋼構件耐火極限達1-2小時。但從防火機理看仍屬于膨脹型防火涂料，只不過達到同樣的耐火極限需要的涂層較薄而已，國內將涂層3mm及以下，且耐火極限達1.5小時及以上的膨脹型防火涂料，稱為超薄型防火涂料(代號CB)。這種涂料是一種以拼合樹脂為基料，輕溶劑油為溶劑的溶劑型鋼結構防火涂料，涂料裝飾性好，防火隔熱效果顯著，理化性能優，涂層超薄，施工方便，經常用于表面積較小的輕鋼梁、鋼網架的防火保護。

        3，2，2包封法

        (1)用現澆混凝土作外包層時，可以采用在鋼結構上現澆成型，也可采用噴涂法。現澆通常用鋼絲網或鋼筋來加強，以限制收縮裂縫并保證外殼的強度，噴涂通常在施工現場將鋼結構表面涂抹砂漿以形成保護層，還可以用珍珠棉、石膏、石棉和輕混凝土做成的預制板，采用膠粘劑和釘子固定在鋼結構上。這種方法保護層強度高、耐沖擊、占用空間大，適用于容易碰撞、無保護面板的鋼柱防火保護。如上海外灘一些建于20世紀二、三十年代的建筑中，不少就是鋼結構建筑，其鋼梁、鋼柱的防火保護就是在鋼構件外面纏繞鋼絲(增加粘結力)，然后再澆抹混凝土。

        (2)用輕質防火板外包時，可以采用纖維增強水泥板(rK板、FC板)、五膏板、蛭石板、硅酸鈣板等非燃材料對大型鋼構件進行箱式包裹，使鋼結構的耐火極限可以由0.25小時提升到設計規范規定的耐火極限，具有施工方便、裝修面平整、成本低、無污染、耐老化等優點。防火板在西方發達國家已大量使用，在我國尚處于起步階段，是鋼結構防火保護新的發展方向。

        3，2，3水噴淋法

        這種方法主要用于體育館等大空間建筑鋼結構部分的防火保護，噴淋的水流一、起冷卻作用，二、起窒息作用(水被汽化后形成的水蒸汽為惰性氣體，排斥空氣窒息燃燒)。用在鋼結構保護的噴淋系統宜選用快速響應噴頭，以縮短噴頭響應的時間，抑制和控制初期火災，在靠近裸露鋼結構的部位應設加密噴淋以增加冷卻的效果。

        3，2，4在空心鋼構件內充水

        這種方法只適用于空心鋼構件的保護，依靠水的蒸發消耗熱量或通過循環把熱量導走。如美國的堪薩斯州銀行大廈及匹茲堡鋼鐵公司大廈，就是在其空心的鋼構件中灌注防凍、防腐的水溶液，火災時通過其循環吸熱來保證結構安全。這種方法很少采用，在國內沒有應用過，對構件的防腐防滲漏要求較高。

        3，2，5屏蔽法

        把鋼構件包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內，經常用于鋼屋蓋的防火保護。

        3，2，6混合保護法

        這種方法緊貼鋼板用防火涂料，外用防火薄板作罩面板，一般用于表面有裝飾要求，又要涂刷厚質防火涂料的鋼柱。

        4結語

        隨著大空間、標志性的建筑物越來越多，建筑結構從土木、磚混、鋼混向鋼結構發展是一種趨勢，不斷研究和提高鋼結構的防火保護技術顯得十分必要，一些新型的防火材料和高耐火極限鋼材即將應用到現代鋼結構中去。
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