钢结构防火设计学习体会.pdf

2 0 0 8／牛 6月 弟 5 吞弟 2 土 V 0 L ． 5 N 0 ． 2 J U N 2 0 0 8 钢结构防火设计学习体会 甘 露 深圳市交通场站建设管理中心 I 摘要l钢结构在建筑工程中得到越来越广泛的应用，但其耐火性较差。并介绍了几种常用的钢结构抗火 设计方法和钢结构防火保护设计方法。 【 关键词l钢结构 抗火设计 防火涂料 引言 钢结构建筑具有强度高、 重量轻、 抗震性能好、 施工快速度、 结构 占用面积小、 基础费用低等优点， 被广泛地运用于住宅、厂房 、库房、体育馆 、展览 馆、机场机库等工程，特别是大跨度 、高耸、超高 层、 重型动力荷载结构、 钢结构更是首选结构形式。 不少 国家钢结构的用量相当高 ，如美国、日本 、俄 罗斯等国在近年来的工业建筑 中钢结构用量均 占 到 7 0 ％以上 。 我国近年来钢产量得到了很大的提高， 钢结构建筑也在不断推广中。然而与钢筋混凝土结 构及砌体结构相比，钢结构却有一个不容忽视的缺 点抗火性能差 。钢材虽然是不燃材料 ，但其耐 火性能很差，随着温度的变化，其力学指标会发生 很大的改变，承载力和平衡稳定性会随温度升高而 大幅度下降。 钢结构在温度达到 3 5 0 C、 5 0 0 。 C、 6 0 0 C 时，其强度分别下降 1 ／ 3 ．1 ／ 2 、2 ／ 3 ，在高温条件 下其 内部应力也会发生改变 ，使钢结构承重体系 出 现 问题 ，按理论计算 ，在全负荷下 ，钢结构失去平 衡稳定性的临界温度为 5 0 0 C，一般火场温度都在 8 0 0 0一I O 0 0 C 左右 ，在这样 的高温条件下 ，无任 何保护的钢结构很快就会出现塑性变形 ，大约 1 5 分钟 内就会倒塌 。2 0 0 1年 9月 1 1日恐怖分子利用 两架满载航空汽油的 7 6 7型客机于 8时 4 6分撞入 北楼顶部 ， 约 1 8分钟后另一架撞入南楼顶端 附近 ， 甘 露 深圳市交通场站建设管理中心工程师 地址深圳市福田区车公庙福安大厦 B座 5楼 电话 8 3 5 8 7 0 6 7 将撞入处的立柱和楼盖撞毁并引起大火 ，火焰温度 高达 8 1 5 ℃。由于大楼承重的钢结构筒体 的保护层 被破坏，钢材在温度达到 6 0 0 C时强度和弹性模量 几乎为零，钢结构的承载能力几乎丧失殆尽，故而 使世贸中心两座大厦的结构完全失效，以致最后的 倒塌 。 表 1 我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例 建筑名称 结构类型 火灾 日期 破坏情况 重庆天原化工厂 钢屋架 1 9 6 0 ．2 ． 1 8 2 0 min倒塌 上海文化广场 钢屋架 1 9 6 9 ．1 2 倒塌 天津市体育馆 钢屋架 1 9 7 3 ．5 ． 5 1 9 min倒塌 长春卷烟厂 钢木屋架 1 9 8 1 ．4 ． 5 倒塌 北京友谊宾馆剧场 钢木屋架 1 9 8 3 ． 1 2 2 0 min倒塌 唐山市棉纺织厂 钢屋架 1 9 8 6 ． 2 ． 8 2 0 min倒塌 北京高压气瓶厂 钢屋架 1 9 8 6 ．4 ． 8 倒塌 江油电厂俱乐部 钢屋架 1 9 8 7 ．4 ． 2 1 2 0 min倒塌 福建泉卅I某冷库 钢结构 1 9 9 3 倒塌 江苏省昆山轻钢厂房 轻钢结构 1 9 9 6 倒塌 北京某家具城 钢结构 1 9 9 8 倒塌 一 、 结 构耐火极 限 长期 以来 ，建筑防火被认为是建筑师设计时需 考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火 对 结构更适合称抗火问题的不多。确实，建筑的防 火分隔、避难层 的设置、安全疏散 出口的布置等为 建筑防火设计 问题 ，目的在于减轻火灾损失，减少 人员伤亡 。然而 ，作为防火分隔的防火墙靠结构支 承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防 火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火 3 7 维普资讯 2 0 0 8 年6 月 第 5 卷 第 2 期 圳 V 0 L ．5 N 0 ．2 J U N 2 0 0 8 时问要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重 ；此 外，建筑结构构件 如梁、楼板 、楼梯等 在火灾 中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建 筑 内灭火。因此各国建筑 防火设计规范都有建筑结 构构件耐火时问 或耐火极限的规定。表 2是我 国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。 表 2高层民用建筑和工业建筑耐火等级 耐火等级 小时 构件名称 一 级 二级 三级 四级 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 不燃烧体 防火墙 4． 00 4． 00 4 00 4 00 承重墙、楼梯 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 难燃烧体 问、电梯问墙 3 , 0 0 2 ． 5 0 2 ． 5 0 0 ． 5 0 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 支承多层的柱 难燃烧体 2． 50 2． 00 2． 00 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 燃烧体 支承单层的柱 2． 00 1． 5 0 1． 00 0． 50 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 难燃烧体 梁 1． 50 1． 0 0 0． 50 0． 25 楼板 不燃烧体 不燃烧体 不燃烧体 难燃烧体 不燃烧体 不燃烧 屋顶承重构件 燃烧体 燃烧体 1． 5 0 0． 50 不燃烧体 不燃烧 不燃烧 疏散楼梯 燃烧体 1． 5 0 1． 00 1． 00 吊顶 包 不燃烧体 难燃烧 难燃烧 燃烧体 括吊隔栅 0 ．2 5 0 ． 2 5 0 ． 1 5 二、钢结构抗火 的设计方法 钢 结构抗火设计 的实质 是 选定保护材料及所 需厚度， 从而使结构在火灾 中的温升不超过其 临界 温度而确保耐火稳定性 ，满足承载能力的规定。 基于试验 的构件抗火设计是一种简单、直观的 方法 。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火 时间， 然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下 的标准试验， 测定其抗火时问。设计 目标为 结构 构 件 的抗火 时问不小于规范规定 的耐火 时问。我国 现行建筑设计防火规范 G B 儿6 8 7 中关于钢 梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法 。该试验 方法存在很 多缺 陷。首先， 耐火时问、耐火等级不易 确定。目前建筑物趋于功能复杂， 体量大型化。同一 建筑物 的各个组成部分功能相差非常大。 其次， 构件 在结构 中受力很难模拟， 而受力 的大小对构件耐火 3 8 时问的影响很大。 最后， 构件受火在结构中产生温度 应力， 而这一影响在构件试验 中也难以准确反映。 可 见早期 的抗火设计方法有时失之经济， 有时又失之 安全。 鉴于试验的上述缺陷， 结构抗火设计方法 已开 始从基于试验的传统方法， 转为基于计算的现代方 法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从 2 o世纪 7 o 年代就大量 开展 了考虑上述诸 因素 的结 构抗火计 算与设计方法的研究。 基 于计算的现代方法 即用计算 的方法代替标 准试验的方法， 可 以免除传统方法中所存在 的问题， 是钢结构抗火设计发展 的方 向。目前计算方法有几 种 直接按耐火等级选择构件的耐火极限 t ， 求出构 件临界温度后 T S ， 用 t 、 T S 为控制条件求保护层厚度 的 T S t 耐火设计方法；用构件的临界温度 T S 和 当 量升温时问 T e 来确定防火保护层厚度的 T S T e耐火 设计方法 。我 国的第一部钢结构防火设计标准 上 海市钢结构防火技术规程 报批稿中采纳了该 设计方法 。 基于计算的防火设计方法， 优点是 考虑 了多个 影响因素， 从构件 的实际工作条件 出发， 进行耐火设 计， 从而与实际情况更接近； 用保护材料 的热物理参 数测定法取代 了构件 的耐火试验， 使试验工作简化 并大大降低 了费用。缺陷是 目前计算方法尚未统 一 ； 计算较为复杂， 各计算方法之问计算结果差异较 大，没有考虑基于整体结构的计算。 三、钢结构的防火保护 1钢结构 的防火保护方法 除 了进行基本 的抗火设计我们 必须 考虑可行 的防火保护，将两者紧密 的结合起来，钢结构的防 火保护的基本原理是采用耐火、绝热或吸热的材料 ， 阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率，延缓钢 结构表面到达临界温度 的时问。主要方法有 以下几 种 1 包封法 采用耐火 、轻质 的板材 ，如石膏 板、硅酸钙板、珍珠岩板等，通过粘结剂或连接构 件 钢钉等 将板材包封、固定在钢构件上。也可 以浇注混凝土成砌筑耐火砖，型钢混凝土和钢管混 凝土叠合柱也是包封法的一种。 2 屏蔽法 即是把钢构件保藏在 由耐火材料 组成墙体或吊顶内。 钢结构屋盖系统常用这种保护 方法 。 维普资讯 2 0 0 8 年6 月 第5 卷 第 2 期 深圳 建 Q Q 』 Q Q 墨 3 水冷却法 将空心的钢柱 或钢梁 连成 管网，其 内充满含抗冻剂，防锈剂的水溶液，通过 着火时的温差作用，使水溶液循环流动，把热量带 走；也可 以设置 自动水淋装置，在钢结构项部设喷 淋供水管网，火灾时自动喷水 ，在钢构件表面形成 一 道致密的连续流动的水膜 ，从而起到防火保护作 用 。 4 喷涂法 采用喷涂或手工涂抹 ，将防火涂 料涂覆于钢结构构件的表面。这是 目前常用 的方法， 其施工简便，重量轻，而且不受钢构件几何形状的 限制 ，有较好 的经济性和实用性。 钢结构 的防火保护方法 并不是单单用上面 的 某} 种方法，而是采用多法结合作用 。现在的钢结 构特别是高层或超高层钢结构往往 设置几道 防火 防线 ，一般以喷淋法为第一道防线，以包封法和喷 涂法 为第二 ，第三道防线等。 2钢 结构 防火涂料设计 防火涂料 是钢 结构防火保护 中最 常用和 最方 便 的方法。 它是一种功能性涂料， 除具有一般涂料的 防护和装饰性能外， 还具有防火 的特殊功能 。 表 3防火涂料的特性及适用范围 厚度 耐火极 类型 特性 适用范围 mm 限 h 薄型 工 民 建 楼 盖 附着力强、可以配色， 防火 2 7 1 ．5 与 屋 盖 钢 结 一 般不需要外保护层 涂料 构 超薄 附着力强、干燥快、可 工民建梁、柱 防火 以配色，有装饰效果、 3 5 2 ．0 2 ．5 等钢结构 涂料 一般不需要外保护层 厚型 喷吐施工、密度小 、物 有 装 饰 面 层 防火 理强度和附着力低 ，需 8 5 0 1 ．5 3 ．0 的 建筑 钢 结 涂料 要外装饰面层隔护 构梁、柱等 薄涂 露天 0 ．5 2 ．0 露 天 环 境 中 喷吐施工、有 良好 的耐 3 1 0 防火 的框 架 与 构 侯性 厚涂 涂料 3 ．0 架等钢结构 2 5 4 0 钢结构的防火设计包括构件的耐火时限的确 定，防火涂料或者防火板材的类别、厚度、构造与 计算 的确定，对防火材料的性能、施工、验收等技 术要求 以及依据的防火设计施工过材料规范等。必 须慎重合理 的确定设计项 目的防火类别与建筑防 火等级，必要时与消防部 门共同协商防火标准 。 防火涂料的厚度，应该直接采用实际构件的耐 火试验数据 。 重要的承重构件可 以采用耐火钢 ， 其防火设计对材料性能、构造施工应满足 钢结构 防火涂料通用技术条件G B 1 4 9 0 7 9 4的要求 。 承中的钢结构采用厚涂型防火涂料时，重要的 节 点部位加厚处理，如果有下列任意一种情况 时， 涂层 内应设与钢结构连接 的钢丝 网。1 受震动 的 梁；2 涂层厚度大于 4 0 mm的梁；3 梁的防火涂 料强度等于 0时；4 梁腹板高度大于 1 ． 5米时。 钢结构房屋 的防火应高度重视 ，应优先选用 防 火涂料和防火板 ，所选用的材料必须采用正规厂家 的产 品，要提供有资质的厂家证 明以及有关产品质 量合格证及权威机构认定 的鉴定产 品测试数据合 格证 明。 四、结语 钢 结构建筑 防火保护是 目前建筑结构 中防火 要求最高的，在其设计与施工 中，对钢结构的防火 虽然方法， 形式较多， 并且广泛应用于实际工程中， 但还存在一些 问题和不足。①钢 结构建筑 防火保护 已经普遍被人们所重视 ，但 目前各 国并没有一个在 认识上较为统一的设计规范或标准；②防火涂料是 钢结构防火保护的最佳选材 ，但 随着保护材料的应 用时间增长，防火涂料的综合性能下降，使得防火 保护的 目的降低；③防火材料的发展有一定 的局限 性，应该从建筑构造 的结构 中调整，充分发挥防火 材料 的保护性能，并及时调整产业规模，开发新型 高效 的防火材料 。 参考文献 [ 1 ] GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ． 钢 结 构设计 规 范【 s 】 [ 2 ] GB J 1 6 8 7 ． 建筑 设计 防火 规 范【 s 】 【 3 】 GB 5 0 0 4 5 1 9 9 5 ． 高 层 民用 建筑 设计 防火规 范 【 s 】 【 4 】 G B 1 4 9 0 7 9 4 ． 钢结 构 防火涂 料通 用技 术条 件 【 s 】 【 5 】 C E C S 2 4 1 ． 钢 结构 防火涂 料 应用技 术规 范 【 s 】 【 6 】 李 国强 ，蒋 首 超． 钢 结 构 抗火 计算 与 设计 【 M】 ．北京 中 国建 筑 工 业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 7 】 李 国强 ，李 兆 治． 钢 结 构 性能 化抗 火 设计 的初 步 设想 【 J 】 ． 消 防 科学 与技 术 ，2 0 0 4； 【 8 】 董新 明 ， 元延 军． 由典 型火 灾论钢 结构建 筑 防火与 抗火 设计 【 J 】 消 防科学 与技 术 ，2 0 0 2 5． 【 9 】 周 尚鑫． 钢 结 构 防火保 护 ⋯． 医 药工 程设 计 ，1 9 9 7 ， 6 【 1 0 】 朱金 华 ，陈友 文． 防火涂 料 的研 究现状 与 发展 趋势 【 J 】 ． 材 料保 护 ， 2 0 0 6， 3 一 3 9 维普资讯