建筑钢结构耐火性能的改善（转）

来源：钢结构之家 

摘 要： 钢结构作为建筑结构的一种形式，在建筑业中得到广泛应用。本文分析了建筑钢结构耐火性能较差的原因，指出对建筑钢结构必须进行一定的防火处理。最后介绍了几种改善钢结构耐火性能的改善方法。

　　关键词： 钢结构；耐火性能；防火设计

　　前言

　　钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工进度快、结构占用面积少、工业化程度高等一系列优点，它与混凝土结构相比，环保且更有利于建筑产业化的发展。因而高层、超高层建筑和一些有特殊要求的工业与民用建筑采用钢结构的较多。目前，我国是世界钢产量第一的国家，有关部门正在研究进一步在房屋建筑中扩大钢结构的使用范围。但从防火角度看，钢结构虽然是不燃烧体，但很不耐火。由于混凝土材料价格低廉，可塑性好，耐火性能好，维护保养费低等优点，目前钢筋混凝土结构仍然是住宅建筑中应用最广的结构材料。因此提高钢结构的耐火性能是推广钢结构建筑的关键。只有提高钢结构的防火性能才能充分发挥钢结构节能建筑的优势。

　　1钢结构耐火性能分析

　　1.1火灾情况下钢材主要性能的变化

　　钢结构最致命的弱点是钢的耐火性能非常差，钢的内部晶体组织对温度非常敏感，温度升高或者降低都会使钢材性能发生变化，钢结构通常在450℃～650℃时就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因变形过大而不能继续使用。图1、图2、图3为钢材的机械性能与温度的关系曲线。

  从曲线可以看出，总的趋势是随着温度的升高，钢材的强度降低,变形增大。在200℃以内，钢材性能没有很大变化：430℃～540℃之间强度急剧下降；600℃时强度很低不能承担荷载，此外在250℃附近有兰脆现象，约260℃～320℃时有徐变现象。

　　兰脆现象指温度在250℃左右的区间内，抗拉强度局部性提高，屈服强度有所回升，强度提高而塑性降低，材料有转脆现象。

　　徐变现象指在260℃～320℃的区间内，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。结合200℃以内材料性能无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度应不超过200℃，目前钢结构行业规定这个温度以150℃为宜，超过这一温度就应该采取防火隔热保护。

　　1.2钢材耐火极限

　　钢虽然为不燃烧材料，但却是热的良导体，一旦遇到高温火焰其支撑力便会在一定时间内遭到破坏。根据钢构件耐火实验得到的钢构件耐火极限为：

式中：t —耐火极限，min；

　　T s —钢构件温度，℃；

　　F/V—构件的截面系数，等于单位长度构件的受火面积与其体积的比值，m -1 。

　　实验表明，常用钢结构构件的耐火极限只有15~30min。说明未覆盖耐火保护层的钢构件的耐火极限距离防火规范的要求距离很大，根本不能满足火灾情况下对建筑防火的要求，必须对普通钢构件覆盖耐火保护层。

　　其应用的实际效果已经得到多起火灾的检验。如某石化企业80万吨/年重油催化裂化装置冷换框架二层平台上的一个卧式柴油中间罐（封油罐）因管线法兰处的石棉垫片存在裂纹，造成柴油从法兰处泄露，滴落到平台下方未保温的高温蒸汽管线，引起柴油自燃而起火，火灾中由于柴油罐受热后发生油品外溢，迅速在框架平台的一层和二层形成较大范围的流淌火灾。由于该装置按照防火技术规范，对装置框架平台的承重钢结构覆盖了厚型无机防火涂料，因此在火灾延续40min内，未发生框架承重钢构件的明显的受热变形，保持了良好的耐火性和承重性,而未进行耐火保护的平台钢板和非承重钢支架，则发生了受热扭曲变形。

　　我国现行建筑设计防火规范用耐火极限作为建筑物构件燃烧性能的判定标准，从规范中可以看出未加保护的钢梁、钢柱、钢制屋顶承重结构的耐火极限为0.25h，要克服钢结构材料在实际应用中防火性能方面的不足，必须对其进行必要的防火处理，以达到规范对相应的使用性质和建筑规模建筑的耐火等级要求。美国9.11恐怖事件表明，钢结构不耐火，是世贸中心坍塌、人员大量伤亡的重要原因。美国防火规范对建筑物的抗火能力(耐火等级)的分级为3小时、2小时两级，对承重墙和支承多层的柱、主梁等承重构件规定其耐火极限为4小时；日本的防火规范要求低些，其相应构件的耐火极限为2～3小时；我国的《高层民用建筑设计防火规范》规定高层民用建筑结构的耐火极限，大致与美、日相似，但略低于美国的规定，如一级耐火等级建筑的防火墙、柱和承重墙、楼梯间墙及梁的耐火极限为3小时和2小时，没有4小时的规定。如何提高钢结构的耐火极限是我们面临的课题。

　　2提高钢结构耐火性能的途径

　　钢结构耐火极限低，防火保护层易被破坏，决定了钢结构建筑必须重视防火问题，鉴于此，应采取相应有效的消防安全措施。钢结构建筑防火保护方法要提高钢结构防火性能，就要阻隔火灾热量向钢材的传递，以延缓钢材温升的速度，推迟钢构件达到破坏时的临界温度的时间。

　　2.1积极应用建筑耐火钢

　　改革钢结构的材料组份，使其具有特定的成分、表面结构和微观组织，增强其耐火抗高温的性能，是提高钢结构建筑消防安全系数的治本措施之一。

　　2.2实施钢结构防火保护

　　对钢结构可采取混凝土包覆保护、外砌粘土砖保护、防火包覆保护和防火涂料喷涂保护等措施，以提高钢结构的耐火极限。对于空心钢柱也可采取在柱内灌注防冻防腐液、循环冷却液体或填充水泥的办法进行保护。在实施钢结构防火保护措施的施工中，必须保护到位，不留盲区，保证质量。

　　外包层法即采用防火材料将钢构件包裹起来，是提高钢构件耐火性能最常用的方法：(1)在钢构件四周浇抹混凝土或砌筑耐火砖。采用混凝土或耐火砖将钢构件(梁、柱)完全封闭起来。 (2)采用轻质防火板材作为防火外包层。采用纤维增强水泥板(如TK板、FC板)、石膏板、硅酸钙板、蛭石板等非燃材料的防火板将钢构件包裹起来。(3)喷涂钢结构防火涂料。将钢结构防火涂料施涂于钢结构表面，形成耐火隔热保护层。钢结构防火涂料根据高温下涂层变化情况分膨胀型和非膨胀型两大系列。膨胀型防火涂料，又称超薄型防火涂料，厚度一般为1mm～3mm，其基料为有机树脂，阻燃体系为聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺。遇火会自发膨胀，形成比原涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层，用于钢结构防火,耐火极限可达0.5h～1.5h；非膨胀型防火涂料，又称厚涂型防火涂料，厚度一般在7mm～50mm，其主要成份为无机绝热材料，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性，与厚度对应的耐火极限可达0.5h～3h。(4)喷射无机纤维防火护层材料，无机纤维材料具有低密度、高热容、低导热的突出特点，并有很好的附着力，在高温火场中，厚度没有明显的变化，护层不熔化、不脱落，能够使被保护构件达到5小时以上的耐火极限，尤其适用于耐火极限要求比较高的高层钢机构的防火保护。近几年我国钢结构建筑发展迅速，其防火保护方法绝大多数采用喷涂防火涂料的方法。此外，国际上少数钢结构建筑采用水冷却进行钢结构防火保护。这种钢结构的保护方法在我国尚未采用过。

　　目前，国内外通常是采取对钢结构表面喷或涂刷防火材料或包裹耐火材料等办法保护钢结构不被火焰直接烧烤而提高其抗火能力。国内外钢结构建筑火灾正反两方面的经验表明，钢结构防火喷涂的质量、时效、涂层粘结力、使用中是否有松动、开裂或是否受到大的冲击、震动等等会直接影响到钢构件的防火安全，应该引起有关部门的重视。为此,有关部门应加强研究，进一步采取可靠的安全措施，保障钢结构建(构)筑物的消防安全。从目前的情况看，特别要研究耐火性能好、时效长、粘结力高的新的钢结构防火材料；研制耐高温价廉物美的金属、非金属钢结构复合防火材料及轻质、高强、耐火的混凝土等新材料，进一步提高钢结构的耐火能力，应是我国建筑界、工程界和消防界的新课题。

　　2.3火灾模型的建立

　　在钢结构抗火设计乃至建筑防火设计中，造成结构浪费或结构不安全的主要问题就在于对规范的生硬套用上，没有对具体建筑进行具体分析。不同的建筑因其使用功能不同，诱发火灾的因素、火灾荷载、蔓延途径、升温过程和火灾延续时间是不同的。

　　应针对建筑特点和使用功能，认真分析火灾的随机性，建立符合具体的火灾模型。确定易发生火灾的部位；计算火灾荷载；判定火灾蔓延途径；判定高温烟气扩散方向；计算分析温升曲线(考虑自动灭火系统的响应时间和冷却作用)；分析局部构件受损和结构的内力重分布；判断结构倒塌方向。在已建立火灾模型的基础上，综合运用抗火与防火设计。