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建筑钢结构防火保护方法研究

        一、引言 

  与其他建筑结构形式相比,钢结构具有强度高、自重轻、使用空间大、灵活性好、施工进度快等优势,广泛地应用于各种建设工程。目前,国内外钢结构建筑发展迅速,体育场馆、写字楼、商场、工业厂房等已大量采用钢结构。然而,钢材虽为非燃烧材料,但温度为40℃时,钢材的屈服强度将降至室温下的一半;温度达到60℃时,钢材几乎丧失其全部强度和刚度。因此,当钢结构防火保护措施不利时,一旦发生火灾其承载能力将下降,变形迅速增加,可能会在较短时间内就达到极限状态而发生破坏。  
  二、钢结构火灾及其危害 
  在2001年的“9.11”恐怖袭击事件中,由于飞机撞击引起大火,致使纽约世界贸易中心两栋110层、高411m、用钢7.5×104t的钢结构大楼倒塌,造成2,308人死亡。1967年美国蒙哥马利市的某饭店发生火灾,钢结构屋盖被烧塌。1970年美国高达50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾,楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右。1984年美国费哈里森大楼火灾,钢桁架结构坍塌,且不同程度地殃及到附近17幢建筑。我国因火灾造成钢结构损毁或倒塌的事故达数十起,国内钢结构火灾情况见表1。(表1) 
  火灾造成的结构破坏,除造成人员伤亡以及直接经济损失外(结构损失),还可能造成更大的间接经济损失(如工厂停工)。如,2003年上海大众汽车制动器厂发生火灾,因钢结构厂房的破坏,使工厂停产致使大众汽车生产线的汽车总装受到影响。国内外统计表明,火灾引起结构失效造成的间接经济损失,约为火灾直接经济损失的3倍。 
  三、火灾下建筑钢结构破坏机理 
  从著名的英国BER Cradintgon钢结构火灾实验中总结出以下几点: 
  第一,高温使钢材的弹性模量降低,结构刚度下降; 
  第二,高温使材料强度降低,甚至熔化,导致结构承载能力下降; 
  第三,构件内部不均匀升温,使构件内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀,从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。 
  这三个方面的共同作用,导致建筑构件变形增大、开裂、屈曲、破坏,甚至局部或整体倒塌。  
  四、建筑钢结构防火保护方法  
  钢结构建筑的防火保护措施分为主动式和被动式两大类: 
  (一)主动防火措施 
  1、建筑物的防火安全设计。目前,钢结构建筑应用广泛,主要有民用建筑、高层建筑、工业厂房、库房等。在不同的建筑内,容易起火的部位不同,火灾和烟气的蔓延规律也有很大的差别。因此,火灾安全的要求重点也有所区别,应根据钢结构建筑使用特点来确定钢结构的防火安全要求。一般进行建筑防火安全设计中需考虑如下问题:根据建筑物使用中的火灾危险性采取相应的耐火等级的建筑结构,以及设置适宜的防火分隔;建筑物内部设置适当的火灾探测报警、自动灭火、防烟排烟等设备,并综合考虑与室内通风、取暖、空调及其他电气设备的搭配等。 
  2、火灾探测报警技术。火灾探测报警系统包括探测器和报警控制器两大基本部分。根据所探测的火灾参数的不同,火灾探测器划分为感温、感烟和感光(火焰)、气体和复合式等型式。 
  3、烟气控制技术。建筑物发生火灾后,有效的烟气控制是保护人们生命财产安全、减少进一步损失的重要手段。控制烟气一般有两种方式:挡烟和排烟。很多大规模的建筑,其烟气控制往往是几种方法的有机结合。排烟形式的合理与否,不仅关系到烟气控制的效果,还有很大的经济意义。 
  4、喷水灭火和其他灭火技术。目前,常用的灭火系统包括喷水灭火系统、水雾灭火系统、二氧化碳灭火系统、泡沫灭火系统以及千粉灭火系统和卤代烷灭火系统,其各有适用范围和优缺点。从机理上分,主要包括:隔离、冷却、窒息和抑制等,如表2所示。(表2) 
  (二)被动防火措施 
  1、疏导法和截流法。钢结构被动防火从热量传输原理归纳起来主要有两大类:截流法和疏导法,如喷涂法、包封法、屏蔽法、水喷淋法、充水冷却法等。这些防火措施各有优缺点,根据国内外工程实践,主要以喷涂法为主,包封法次之。 
  截流法与疏导法的目的,都是为了使构件在规定的时间温度升高不超过其临界温度。截流法是通过阻止热量向构件传输来达到目的,而疏导法允许热量传到构件上,再把热量导走来实现目的。 
  2、防火涂料在钢结构防火中的应用。目前,钢结构防火涂料是钢结构防火保护的主要选材,按照其厚度可分为:厚涂型、薄涂型和超薄型钢结构防火涂料。但是,钢结构防火涂料存在价位高、装饰性差等缺点,而且随着保护时间的增长,会使其综合性能下降,降低其防火能力。 
  3、防火板材在钢结构防火中的应用。钢结构防火用板材分为两类:一类是密度大、强度高的薄板;一类是密度较小的厚板。防火薄板的特点是密度大、强度高、导热系数大,使用厚度一般为6~15mm之间,主要用作轻钢龙骨隔墙的面板、吊顶板(又统称为罩面板),以及钢梁、钢柱经厚型防火涂料涂覆后的装饰面板。防火厚板的特点是密度小、导热系数低,其厚度可按照耐火极限需要确定,大致在20~50mm之间。由于本身具有优良的隔热性,可直接用于钢结构防火,提高耐火极限。这类板材主要有轻质(或超轻质)硅酸钙防火板以及膨胀蜓石防火板两种。 
  4、喷涂法和包封法的比较。喷涂法施工简便,无须复杂的工具即可施工,重量轻,而且不受构件的几何限制,特别适用于轻钢结构、网架结构和异形钢结构等,是目前使用最多的钢结构防火保护方法;包封法是用导热系数小、热容量大的防火板材或混凝土,对钢结构采取保护的措施。该方法由于施工复杂,适用范围较喷涂法小,使其应用得到了一定限制。但是,它在某些方面比喷涂法具有独到的优势。随着国内外新型结构型防火板材的研制成功,包封法正逐步体现出自己的优势:耐火性能好,耐火极限高;性能稳定,持久可靠;安全性好;经济效益好。 

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