就防火角度论钢结构设计方案

就防火角度论钢结构设计方案
摘要：近年来，空间钢结构在各种建筑上都得到了广泛的应用，在各地的体育馆、飞机库、展厅、厂房、仓库等建筑上都得以体现。

但是，钢结构建筑的耐火性能较差一直是建筑界比较关注的问题，防火已然成为钢结构建筑主要存在的安全问题。

在本文中，笔者从防火的角度，对钢结构的设计方案展开了探讨。

首先分析了在火宅发生时，钢结构的破坏机理，接着从钢结构所使用的钢材品种、性能化设计、表面处理等方面，来探讨钢结构设计防火问题的解决方案。

关键词：空间钢结构；防火角度；耐火性能；结构抗火；
中图分类号：tu391文献标识码：a 文章编号：
2001年9月11日的上午，随着美国五角大楼的一声巨响，震惊世界的“911”事件发生而来。

与此同时，钢结构的一大致命缺陷毫无保留地暴露在人前，那就是抗高温耐火能力差。

自此，钢结构的防火设计成为建筑界共同关注的问题。

近年来，空间钢结构不断的应用在建筑中，以钢结构为主的金属结构正在崛起和发展之中，并且大有成为主流的趋势。

但随之而来的是建筑防火成为摆在人们面前的一道难题。

在传统的建筑中，大多使用的是砌体和钢筋混凝土的结构，这两种结构本身就是耐火结构，所以，防火从来都不是一个问题。

但是，钢结构与之大不相同，钢结构构件本身并不是耐火构件。

如果这些钢结构构件不加任何保护措施，暴露在空气中，其耐火极限仅仅有10-20min。

一、火灾时钢结构构件的破坏机理
在火灾发生时，产生大量的热量，这些热量以辐射和对流的方式传给钢结构构件，使得钢结构构件的温度升高，由此引起钢结构的物理性质发生变化。

即使构件本身是不燃的，但是温度的上升会使得构件膨胀，从而导致构件本身强度降低、构件伸长。

钢结构构件在伸长的过程中，由于两侧受热不均，两侧伸长的程度不一样，就会发生构件弯曲，产生位移或者约束力的情况。

这种情况一旦发生，又由于刚性框架结构自身的特点，会导致构件的横梁伸长，产生的约束也随之增大。

这种增大的约束可能会大到把柱子从其原来的地方推开，也就是说，原来的承载处，没有了支撑物，这样，整个钢结构框架都受到了破坏，安全事故也就发生了，垮塌也在所难免。

钢结构构建有一个很明显的特点，那就是在温度升高时，强度会降低。

钢结构构件的塑性变形，与其屈曲强度有很大关系。

当达到屈曲强度时，其产生的变形肉眼就可以观察到。

在过往的很多研究中，我们分析其成果可以知道，当温度不超过600℃，当钢结构构件所承载的载荷恒定，并且不超过额定载荷时，其变形程度很小，变形过程并不用考虑时间的问题。

至于其徐变的对变形的影响，力可以包括在应力—应变关系中（图1反映的是高温下屈服强度为255n/mm2的钢材的应力—应变曲线）。

图1 高温下钢材的应力应变关系
从图1中，可以看出，当最低温度为20℃，钢结构构件承受的
应力为240n/mm2时，产生的应变为2.54mm；当温度升高，达到临界温度600℃时，如果要达到2.54mm的应变，所承受的应力约为30n/mm2.也就是说，在相同的应变下，当温度从20℃变为600℃时，钢结构所能承受的应力相差了7倍。

从上述分析，很容易得出，在高温条件下，钢结构构件是十分脆弱的，受力情况也十分不利，自然就容易发生安全事故。

所以，对于钢结构的建筑而言，其防火设计是其中十分重要的一环。

钢结构建筑在我国发展的时间并不长，技术相对于国外先进水平来说，也存在一定的差距。

在我国的《高层民用建筑设计防火规范》中，对高层建筑结构的耐火极限都有规定。

具体如表1所示。

表1 钢结构的耐火极限要求（单位：h）
二、钢结构建筑的防火设计方法
1、使用耐火材料
材料是钢结构建筑在火灾面前时表现脆弱的原因。

改善钢结构材料的材料组份，使其物理性质发生变化，提高其耐火抗高温的性能。

将这样的耐火钢应用在钢结构的建筑中，可以提高建筑的消防安全系数。

耐火钢与一般的建筑用钢材在很多性能上是比较相似的，比如焊接性能、室温力学性能以及一些其他的性能。

这些性能二者都具备。

不同的是，耐火钢在一般的气候条件下时，可以裸露使用。

因为在耐火钢表面的涂层，是失效年限，是普通钢所不能比的，远远
要长于普通钢。

在最为关键的耐火性能上，耐火钢与普通钢相比，也显出了极大的优势。

在火灾时，要保证建筑安全性的一个重要指标是：在600℃时，屈服强度下降不大于规定的室温屈服强度标准的1/3.要保持这个强度值，普通的钢材至多只能达到350℃，而耐火钢能承受的温度是600℃。

使用普通的钢材在建筑中，为了提高其耐火性能，往往需要使用很多的防火涂料和防火包覆。

如果是使用耐火钢，这些材料都可以减少使用，从而使得成本也降低了、工期也缩短了、污染也减少了，一些维护成本也可以节约下来。

根据过往的经验，使用耐火钢可以节约综合成本20%以上。

在生产耐火钢方面，武钢是钢铁企业的佼佼者，他们能生产一种特种钢，其耐腐蚀性是普通钢的5-8倍，当温度高达1080℃，该种钢材仍能坚持2.5小时不屈服。

2、防火涂料法
就目前的情况来说，很多钢结构的建筑还是使用的普通钢材。

此时，要提高其抗火性能，就需要在钢材表面涂防火涂料。

根据实验，在没有保护层的情况下，，某一钢网架在10min之内，温度升高到234℃,20min之内温度升高到546℃.相同结构的钢网架在涂了防火涂料的情况下，20min之内温度仅为46℃，温度升为546℃，花了约200min，升高相同的温度，所用时间是前者的10倍。

由此可见，防火涂料对钢结构建筑的实际防火来说，具体十分重大的保护意义。

防火涂料之所以能防火，依据的原理主要有三个：首先，是起
到屏蔽的作用，使用防火涂料，将钢材与空气隔离开，使其不会与空气直接接触，在火灾发生时，也不至于马上使钢材的温度急剧升高。

第二，是利用防火涂料的性能，有些涂料在遇到高温时，会由于吸热而导致部分物质分解，从而产生水蒸气或者是一些其他的不燃气体，这些气体可以起到稀释氧气、消耗热量、降低火焰温度的作用。

第三，有些耐火材料在受热后会形成碳化泡沫层，也可以将钢材与外界隔离开来，火灾发生时，热量不至于迅速的传递到钢材中。

钢结构强度的降低需要的时间延长，为火灾的制止赢得了时间，钢结构耐火极限得到了提高。

防火涂料有不同的分类方法，有一种分类方法是根据其涂层厚度来的，可以分为超薄型、薄型、厚型防火涂料，具体见表2.
表2 涂层厚度与耐火极限
三、总结
钢结构建筑的耐火性能一直是建筑界关注的问题，也是亟待解决的问题。

目前来说，我国在钢架构设计的防火性能方面的研究还有待提高和完善，同时我国对消防工程学和火灾动力学等基础学科的研究也还有待深入。

在这种情况下，要从钢结构的设计上来提高其防火性能就显得尤为必要了。

在本文中，笔者只是抛砖引玉，提出了个人的见解，期待在这方面的研究能更上一个台阶。

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注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。