彭偉宣

（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展及建筑技術(shù)的日新月異，鋼結(jié)構(gòu)形式以其重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、承載力大、施工簡(jiǎn)便、施工周期短、布局靈活、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于超高層建筑、體育館和大型廠房等工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中；但由于鋼結(jié)構(gòu)的耐銹蝕性和耐火性較差，存在不耐火的致命弱點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)時(shí)極易發(fā)生倒塌，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，其防火問(wèn)題備受人們的關(guān)注。本文從鋼結(jié)構(gòu)的物理特征和力學(xué)特征的兩個(gè)角度分析其特點(diǎn)，并從主動(dòng)和被動(dòng)兩個(gè)方面提出防火措施。

2 鋼結(jié)構(gòu)的特征

2.1 物理特征

2.1.1 熱膨脹系數(shù)

當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)要發(fā)生膨脹，對(duì)截面溫度均勻分布的靜定結(jié)構(gòu)而言，熱膨脹只對(duì)變形有影響，不會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力。但建筑構(gòu)件的膨脹收到約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生加內(nèi)力。鋼的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而變化，但幅度不大。

2.1.2 結(jié)構(gòu)鋼的比熱容

比熱容是指其單位體積內(nèi)所儲(chǔ)存的熱量，當(dāng)其所吸收的熱量一定時(shí)，比熱容越高，材料的溫度上升的越小。組成鋼材的鐵、碳、錳、硅等其他各種合金元素的比熱容各不相同。一般情況下，他們都是隨著溫度的上升逐漸增大，但相差幅度較小。

2.1.3 結(jié)構(gòu)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)

鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)度每上升一度所需要的熱量，純鐵的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，鋼材隨著碳量和合金量的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減少。合金含量較多的鋼材，導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度上升緩慢增加，碳鋼和低合金鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度上升單調(diào)減少，變化率逐漸變小。

2.2 結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

2.2.1 泊松比

結(jié)構(gòu)鋼的泊松比受溫度的影響較小，普遍認(rèn)為高溫下結(jié)構(gòu)鋼的泊松比可取與常溫下相同。

2.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

研究高溫下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是進(jìn)行其力學(xué)性能分析的最重要的內(nèi)容。高溫下鋼結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變包括三個(gè)部分：應(yīng)力變化的瞬間應(yīng)變、蠕變及熱膨脹引起的應(yīng)變?？倯?yīng)變與應(yīng)力過(guò)程和升溫的速度相關(guān)，不同升溫速度下應(yīng)變的增長(zhǎng)是有區(qū)別的。鋼材力學(xué)性能的一個(gè)重要特點(diǎn)就是高溫蠕變，但蠕變的情況比較復(fù)雜，當(dāng)建筑的升溫速度在5-50℃/分鐘的范圍內(nèi)，且建筑溫度不超過(guò)600℃時(shí)，蠕變比較小。

2.2.3 高溫特性

無(wú)保護(hù)層的鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下存在強(qiáng)度降低和蠕變現(xiàn)象，對(duì)建筑用鋼而言，260℃以前其強(qiáng)度不降低；260-280℃開始下降，達(dá)到400℃時(shí)屈服現(xiàn)象消失、強(qiáng)度明顯降低；達(dá)到450-500℃時(shí)，鋼材內(nèi)部再結(jié)晶使強(qiáng)度急速下降；至550℃時(shí)，其強(qiáng)度將損失40%；至700℃時(shí)基本失去承載力。

3.鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火措施

從建筑防火理論看，一致認(rèn)為有主動(dòng)防火和被動(dòng)防火兩大體系；本文涉及的鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的防火措施也從被動(dòng)與主動(dòng)兩個(gè)角度進(jìn)行分析。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的被動(dòng)防火措施

所謂被動(dòng)耐火保護(hù)是指在火災(zāi)中不依靠降低火災(zāi)的燃燒熱釋放率或抑制火災(zāi)增長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不受高溫或火焰嚴(yán)重影響的防火保護(hù)方法。

（1）澆筑混凝土或砌筑耐火磚

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚，這種方法比較可靠，但較適合于鑰柱的保護(hù)；對(duì)于梁等其他構(gòu)件，施工比較麻煩且自重大；對(duì)于初期升溫很快的火災(zāi)也不太適用。這種保護(hù)方法在高溫作用下易發(fā)生崩裂現(xiàn)象。

（2）包封法

采用硅酸鈣板、蠔石板、珍珠巖板、石棉水泥板、石膏板等耐火輕質(zhì)板材包覆。石膏板的最高使用溫度600℃，纖維增強(qiáng)普通硅酸鈣板的使用溫度為650℃～950℃。但蛙石板和珍珠巖板容重小，但使用最高溫度只有650℃～850℃，很難達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)耐火保護(hù)的目的。

（3）噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂裝在鋼構(gòu)件表面，增大絕熱性能以推遲結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或力學(xué)強(qiáng)度降低的時(shí)間的涂料。在受到高溫或火焰作用時(shí)，足夠厚的防火涂料層對(duì)鋼材起到屏蔽作用，使構(gòu)件不直接暴露在火災(zāi)中，防火涂料吸熱分解放出水蒸氣或二氧化碳?xì)怏w，能消耗熱能，對(duì)降低火焰溫度和燃燒速度具有一定作用。室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)上的防火涂料也存在起皮脫落、龜裂等情況；在施工過(guò)程中還存在涂層厚度達(dá)不到要求、涂料選型不當(dāng)、以次充好等問(wèn)題。這些因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐火保護(hù)帶來(lái)的隱患，是當(dāng)前選用防火涂料噴涂保護(hù)方法必須慎重考慮和控制的。

（4）在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部充水保護(hù)法

這種方式依靠火災(zāi)時(shí)向鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部充入循環(huán)水進(jìn)行降溫冷卻，達(dá)到保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的目的。它需要一套完善的火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)和足夠的水源與供水系統(tǒng)，效果良好，但成本較高、火災(zāi)時(shí)增加結(jié)構(gòu)自重、且結(jié)構(gòu)內(nèi)部需作耐水腐蝕處理。這種方法國(guó)內(nèi)外均試驗(yàn)不多?？傊?，在選用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火保護(hù)材料時(shí)，除需要考慮材料的耐火性能外，還要考慮材料的耐久性、耐候性、耐腐蝕性、抗反復(fù)荷載性能以及高溫穩(wěn)定性等，使其既能滿足功能要求，又具有一定的經(jīng)濟(jì)效果。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的主動(dòng)防火措施

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主動(dòng)防火保護(hù)是一種采用建筑內(nèi)的主動(dòng)消防措施，在火災(zāi)發(fā)生前進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而期望在火災(zāi)發(fā)生后從根本上消除高溫和火焰對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的威脅，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的方法。與被動(dòng)耐火保護(hù)相比，它是一種更積極的保護(hù)方式。

（1）正確界定建筑的耐火等級(jí)

各種建筑由于其使用功能和重要性不同，火災(zāi)危險(xiǎn)性存在差異，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》確定建筑物的火災(zāi)危險(xiǎn)性，再根據(jù)火災(zāi)危險(xiǎn)性，確定建筑的耐火等級(jí)。如果在設(shè)計(jì)時(shí)沒有正確核定耐火等級(jí)，確定的耐火等級(jí)過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)造成設(shè)計(jì)失誤，過(guò)高造成浪費(fèi)，過(guò)低則造成不安全。

（2）自動(dòng)滅火系統(tǒng)

在建筑物內(nèi)設(shè)置自動(dòng)滅火設(shè)施，能有效地抑制火災(zāi)的蔓延擴(kuò)大或撲滅初期火；可以降低室內(nèi)溫度，使建筑結(jié)構(gòu)得到保護(hù)，并為人員疏散創(chuàng)造良好的條件與環(huán)境；自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)是當(dāng)今世界上公認(rèn)的有效自救滅火設(shè)施，適用于撲救大部分工業(yè)與民用建筑物內(nèi)的初火期；自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的動(dòng)作溫度從57-343℃不等，依據(jù)設(shè)置場(chǎng)所的環(huán)境條件而定。對(duì)于常見的工業(yè)與民用建筑，常采用68℃。

（3）鋼結(jié)構(gòu)水噴淋法防火

水噴淋法是在結(jié)構(gòu)的上部設(shè)置水噴淋管網(wǎng)和噴頭。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，水噴頭受熱后自動(dòng)打開并向構(gòu)件噴水，使其表面形成連續(xù)的流動(dòng)水膜，可帶走大量的熱量,使得鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度不至于過(guò)高，由此提高結(jié)構(gòu)的耐火極限。

（4）進(jìn)行有效的防火分區(qū)

在鋼結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)部進(jìn)行有效的防火分區(qū)，可以防止火勢(shì)向其他區(qū)域蔓延、擴(kuò)散。防火分區(qū)在普通民用建筑中較易實(shí)現(xiàn)，如在門、廳、樓梯等處采取一些技術(shù)措施。如用防火墻、防火門、防火卷簾加水幕。

（5）充分考慮人員疏散問(wèn)題

由于鋼結(jié)構(gòu)建筑自身的弱點(diǎn)，在合理防護(hù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時(shí)還要充分考慮人員疏散的因素，將人員密度指標(biāo)和鋼結(jié)構(gòu)建筑的特點(diǎn)綜合起來(lái)考慮，加強(qiáng)對(duì)安全疏散路線、疏散距離、疏散寬度的設(shè)計(jì)要求，保證人員疏散時(shí)間小于建筑構(gòu)件的耐火極限，確?；馂?zāi)時(shí)人員能安全逃生，以最大限度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4 總結(jié)

防火設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)建筑中是非常重要的，一旦發(fā)生火災(zāi)，帶來(lái)的后果是極其嚴(yán)重的。因此，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件前，要根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，準(zhǔn)確地使用規(guī)范，采用主動(dòng)防火措施和被動(dòng)防火措施，將火災(zāi)造成的損失和傷害減小到最低程度。

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