浅谈钢结构的耐火保护方案样本.doc

浅谈钢结构耐火保护

摘要： 钢结构是现代建筑工程中较一般结构形式之一。中国是最早用铁制造承重结构国家，远在秦始皇时代(公元前246-2)，就已经用铁做简单承重结构， 而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。公元3-6世纪， 聪慧勤劳中国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名四川泸定大渡河铁索桥，云南元江桥和贵州盘江桥等全部是中国早期铁体承重结构例子。
中国即使早期在铁结构方面有卓越成就，但因为多年封建制度束缚，科学不发达，所以，长久停留于铁制建筑物水平。直到19世纪末，中国才开始采取现代化钢结构。新中国成立后，钢结构应用有了很大发展，不管在数量上或质量上全部远远超出了过去。在设计、制造和安装等技术方面全部达成了较高水平，掌握了多种复杂建筑物设计和施工技术，在全国各地已经建造了很多规模巨大而且结构复杂钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等，中国人民大会堂钢屋架，北京和上海等地体育馆钢网架，陕西秦始皇兵马佣陈列馆三铰钢拱架等。
　　1. 钢结构优点。
　　1.1钢结构重量轻，即使钢比重大，但因其机械性能很好，能够承受较大荷载，故钢结构件截面尺寸小，一样跨度一样荷载时，钢屋架重量最多不过钢筋混凝土屋架1/4或1/3，钢结构重量小，便于运输。
　　1.2. 材质均匀，和力学计算假定比较符合，钢材内部组织比较均匀，按近于各向同性体，而且在一定应力幅度内几乎是完全弹性。所以，钢结构实际受力情况和建筑力学计算结果比较符合。
　　1.3. 钢结构制造、安装机械化程度高。钢结构含有某种段度技术密集型性质，钢结构所用材料单一，而且是成品，加工简便，机械化程度高，建造快速，轻易确保质量，适宜于成批大量生产，从构件工厂加工到现场吊装，工业化程度大大高于含有劳动密集性质现浇钢筋混凝土结构。
　　1.4. 钢结构安装施工简便。纲结构由专业化金属构件厂生产构件(梁、屋架、柱等)，在工地上用电焊或螺栓(或高强螺栓)连接起来，施工安装简便快速， 提升施工速度，已成为降低工程造价最关键原因，结结构价问题已降到次要地位。而且，螺栓连接钢结构便于改造拆迁。
　　1.5. 钢结构在平面布局上灵活性，则是另一关键特点。在信息时代今天，对室内平面，空间和内部设施要求愈加严格了。原先布局和设备，很快就可能变成不太适用或完全不适用，钢结构却可为平面重新布局提供更大可能性，从而延长建筑物使用寿命。
　　钢结构即使有这么多优点，但却有一个致命缺点：不耐火。钢材即使是不燃材料，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，降低幅度更为显著，通常在15分钟左右就会丧失承重能力而垮塌。中国外钢结构建筑物火灾案例全部证实，发生火灾后20分钟以内就把建筑物烧垮，最终形成一片废墟。1973年5月天津市体育馆火灾，1969年12月上海文化广场火灾，1972年8月北京二七机车车辆厂纤维板车间火灾，全部曝露了钢结构耐火性能差致命弱点。
2. 钢结构耐火保护方法。
　　因为钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效坍毁，耐火极限仅15分钟，若采取方法，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超出临界温度，钢结构在火灾中就能保持稳定性，对钢结构采取保护方法，从原理上来讲，关键可划分为两种：截流法和疏导法。
2.1. 截流法
　　截流法原理是截断或阻滞火灾产生热流量向构件传输，从而使构件在要求时间内温升不超出其临界温度。其作法是构件表面设置一层保护材料，火灾产生高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。因为所选材料导热系数较小，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。
2.1.1. 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。钢结构防火涂料按所使用胶粘剂不一样可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类，薄涂型钢结构涂料涂层厚度通常为2～7mm，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，含有耐火隔热作用，耐火极限可达0.5～1.5小时，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料厚度通常为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0.5～3.0小时，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。
　　钢结构防火涂料防火原理有三个：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水蒸汽或其它不燃气体，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，阻止了热量快速向钢基材传输，推迟了钢基材强度降低，从而提升了钢结构耐火极限。
　　薄涂型钢结构防火涂料关键品种有：LB、SG—1、SB—2、SS—1钢结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料关键品种有：LG钢结构防火隔热涂料、STI—A、JG276、ST—86、SB—1、SG—2钢结构防火涂料等。
　　在喷涂钢结构防火涂料时，喷涂厚度必需达成设计值，节点部位宜合适加厚，当遇有下列情况之一时，涂层内应设置和钢结构相连钢丝网，以确保涂层牢靠。
——承受冲去振动梁
——设计层厚度大于40mm寸
——粘贴强度小于0.05MPa涂料
——腹板高度大于1.5m梁
喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一个钢构件耐火保护。
2.1.2. 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：
　　2.1.2.1. 用现浇混凝土作耐火保护层。所使用材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料现有不燃性，又有较大热容量，用作耐火保护层能使构件升温减缓。因为混凝土表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，深入提升其耐火性能。
　　2.1.2.2. 用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用材料通常有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上术材料全部有良好耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。
　　2.1.2.3. 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和水泥混合，再用特殊喷枪和水喷雾同时向底子喷涂，组成海绵状覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方法可直接喷在钢构件上，也能够向其上金属网喷涂，且以后者效果很好。
　　2.1.2.4. 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，板间连接可采取钉合及粘合。这种结构方法施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)和防火(预制板)功效划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构功效，所以含有良好复原性。
2.1.3. 屏蔽法
　　屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时能够使钢梁、钢屋架升温大为延缓，大大提升钢结构耐火能力，而且这种方法还能增加室内美观，但要注意吊顶接缝、孔洞处应严密，预防窜火。
2.1.4. 水喷淋法
　　水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动开启(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动水膜，从而起到保护作用。
　　由上述可知，这些方法共同特点是设法减小传到构件热流量，所以称之为截流法。
2.2. 疏导法
　　和截流法不一样，疏导法许可热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，一样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。
　　疏导法现在关键是充水冷却保护这一个方法。该方法是在空心封闭截面中(关键是柱)充满水，火灾时构件把从火场中吸收热量传给水，依靠水蒸发消耗热量或经过循环把热量导走，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方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水比热和气化热又较大，构件吸收热量将源源不停地被耗掉或导走。
　　冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。蒸气由排气口排出。当柱高度过大时，可分为多个循环系统，以预防柱底水压过大，为预防锈蚀或水冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。
　　水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水蒸发耗热，后者既能蒸发散热，还能借水温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低柱。