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钢结构防火保护措施

2017-07-20

钢材具有的强度高、延性好优点决定了钢结构则具备自重轻、抗震性能好、承载能力大的特性,同时钢结构可场内加工,施工周期短,同时材料又是可回收利用。因此,不管在国内还是国外钢结构建筑都得到了广泛的运用。

但钢结构有一个致命弱点:抗火性能差。为了使钢结构在火灾中较常时间地保持强度和刚度,保障人们的生命和财产安全,在实际工程中采用了多种防火保护措施。根据防火原理不同,防火措施分阻热法和水冷却法。阻热法又可分为喷涂法和包封法(空心包封法和实心包封法)。水冷却法有水淋冷却法和冲水冷却法。本文将具体介绍各种防火措施,并比较其优缺点。

1、钢结构的耐火极限与耐火性能

钢结构的耐火极限是指构件在标准耐火试验中,从受到火的作用时起到失去稳定性或完整性、绝热性止这段抵抗火作用的时间。

钢材本身虽然不会起火燃烧,但钢材的材性受温度影响很大,但在250℃钢材的冲击韧性下降,超过300℃,屈服点与极限强度显著下降。实际火灾下,荷载情况不变, 钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右,而一般火场温度达到800~1000℃。因此,火灾高温下钢结构很快地会出现塑性变形,产生局部破坏, 最终造成钢结构整体倒塌失效。

钢结构建筑必须采取防火措施,以使得建筑具有足够的耐火极限。防止钢结构在火灾中迅速升温到临界温度, 防止产生过大变形以至建筑物倒塌,从而为灭火和人员安全疏散赢得宝贵时间,避免或减少火灾带来的损失。


2、钢结构防火保护措施

钢结构防火保护措施按原理分为两类:一是阻热法,二是水冷却法。这些措施的目的是一致的:使构件在规定的时间, 温度升高不超过其临界温度。不同的是阻热法是阻止热量向构件传输来, 而水冷却法允许热量传到构件上, 再把热量导走以实现目的。

2.1 阻热法

阻热法根据防火涂料阻热和包封材料阻热,分为喷涂法和包封法。喷涂法通过涂覆或喷洒防火涂料把构建保护起来。包封法又可分为空心包封法和实心包封法。

2.1.1 喷涂法

一般采用防火涂料涂覆或喷洒于钢材表面,形成耐火隔热保护层,提高钢结构的耐火极限。这种方法施工简便、重量轻、耐火时间较长,而且不受钢构件几何形状限制。具有较好的经济性和实用性,应用广泛。钢结构防火涂料的品种较多,大体分为两类:一类是薄涂型防火涂料( B 类) , 亦即钢结构膨胀防火料; 另一类是厚涂型涂料(H) 类。

B类防火涂料,涂层厚度一般为2-7mm。基料为有机树脂,有一定装饰效果,高温时膨胀增厚。耐火极限可达0.5~1.5h。薄涂型钢结构防火涂料涂层薄、重量轻、抗振性好。室内裸露钢结构、轻型屋盖钢结构,当规定其耐火极限在1.5h及以下时,宜选用薄涂型钢结构防火涂料。H类防火涂料涂层厚度一般为8~50mm。呈粒状面。主要成分为无机绝热材料,密度较小热导率低。耐火极限可达0.5~3.0h。厚涂型钢结构防火涂料一般不燃、耐老化、耐久性较可靠。室内隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构,当规定其耐火极限在1.5h以上时,应选用厚涂型钢结构防火涂料。

2.1.2包封法

1) 空心包封法:一般采用防火板或耐火砖,沿钢构件的外围边界,将钢构 件包裹起来。国内石化工业钢结构厂房大多采用砌筑耐火砖包裹钢构件的方法对钢结构加以保护。该方法的优点是强度高、耐冲击,但缺点是占用的空间较大、施工较麻烦。采用耐火轻质板材如纤维增强水泥板、石膏板、蛭石板等作防火外包层。对大型钢构件进行箱式包裹的方法具有装修面平整光滑、成本低、损耗小、无环境污染、耐老化等优点,推广前景良好。  

2) 实心包封法:一般通过浇筑混凝土,将钢构件包裹起来,完全封闭钢构 件。如上海浦东世界金融大厦的钢柱就采用该方法。其优点是强度高、耐冲击,但缺点是混凝土保护层占用的空间大、施工比较麻烦,特别是在钢梁和斜撑上施工十分困难。

2.2 水冷却法

水冷却法包括水淋冷却法和充水冷却法。

2.2.1 水淋冷却法

水淋冷却法是在钢结构上部布置自动或手动喷淋系统。发生火灾时,启动喷淋系统,在钢结构表面形成一层连续的水膜,火焰蔓延到钢结构表面时,水分蒸发带走热量,延缓钢结构建筑达到其界限温度。水淋冷却法在同济大学土木工程学院大楼得到使用。

2.2.2 充水冷却法

充水冷却法是在空心钢构件内充水。通过水在钢结构内的循环,吸收钢材本身受热的热量。从而使钢结构在火灾中能保持较低的温度,不会因升温过高而丧失承载能力。为防止锈蚀和结冰, 水中要加阻锈剂和防冻剂。美国匹兹堡64层的美国钢铁公司大厦的钢柱就采用了充水冷却法。




3、防火措施比较

阻热法通过阻热材料可以减慢热量向结构构件传导的速度。总体来说,隔热法经济性和实用性较好,在实际工程运用相当广泛。水冷却法是抵御火灾的一种有效的防护措施,但由于这种方法对结构设计有专门要求,同时其成本较高,故目前在工程领域还未得到很好的推广。
阻热法在钢结构防火保护中广泛使用,所以下面重点比较阻热法措施中喷涂法与包封法的优缺点。

3.1 耐火性  

这耐火性能上,包封法优于喷涂法。混凝土、耐火砖等包封材料耐火性比一般的防火涂料好。另外,新型防火板的耐火性能也优于防火涂料。其耐火极限明显高于同厚度的钢结构防火隔热材料, 更高于膨胀型防火涂料。

3.2耐久性

由于包封材料如混凝土耐久性比较好,不易随时间推移发生性能劣化;而耐久性一直是钢结构防火涂料未能解决好的问题。以有机组分为主的薄型和超薄型防火涂料无论是用于室外还是室内, 其有机组分都可能产生分解、降解、老化等问题, 从而使涂层剥落粉化或失去防火性能。

3.3施工性  

钢结构防火的喷涂法施工简便,无须复杂的工具即可施工。但喷涂法防火涂料施工质量可控性差,对基材的除锈、防火涂料的涂层厚度以及施工环境湿度等不易控制;包封法施工比较复杂,对于斜撑、钢梁尤为明显,不过施工可控性较强强,质量容易保证。可以较为准确地改变包封材料的厚度来控制耐火极限。

3.4 环保性

喷涂法在施工时污染环境, 特别是在高温作用下能挥发出有害气体。包封法在施工、正常使用环境和火灾高温下均无有毒释放物, 有利于环境保护和火灾时的人员安全。

3.5 经济性

喷涂法施工简单、工期短,施工费用低。但防火涂料价格高,而且由于涂料存在老化等缺点,其维护费用较高。包封法施工费用高, 但所用材料价格便宜, 且维修费用低。综合来讲,包封法经济效性较好。

3.6 适用性

喷涂法不受构件的几何限制, 多用于梁、柱、楼板、屋盖等各构件的保护。特别适用于轻钢结构、网架结构和异形钢结构等空间结构体系钢结构防火保护中。包封法施工复杂,特别是钢梁、斜撑等构件,包封法一般较多用于柱子,适用范围没喷涂法广泛。

3.7 占用空间

喷涂法所使用的防火涂料体积较小,而包封法使用的包封材料如混凝土、防火砖,会占用空间,减小使用空间。而且包封材料质量也较大。


4、总结

通过论述可以得到以下结论:
1)钢结构防火保护措施的采用要考虑多方面因素的影响,如构件类型、施工难易度、施工质量要求、耐久性要求和经济效益等;
2)通过对喷涂法与包封法的比较,喷涂法主要优势在施工工艺简便,喷涂后构件外形不发生大的改变。包封法主要优势在于成本较低,防火性能与耐久性好;
3)各种防火措施有各自的优势和不足,在工程运用中,可取长补短,多种防火措施结合使用。并可以通过采取不同措施,设置多道防火防线。

来源:钢构联盟

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