浅谈建筑钢结构耐火性能的改善

浅谈建筑钢结构耐火性能的改善
【摘要】文章简述了钢结构的特点及耐火性能，并基于工作实践，提出提高钢结构耐火性能的措施，以供业界参考。

【关键词】钢结构；耐火；防火；设计
随着科技水平快速的发展，各种建筑材料也随之不断的涌现。

钢结构作为建筑材料来讲已经取得了人们的信任，钢结构可以使建筑的体态更为轻盈、可以获得更多的建筑空间、可以满足人们对大跨度建筑造型的需求等。

目前被广泛应用于宾馆、饭店、展览馆等民用公共建筑和厂房、仓库等工业建筑。

虽然钢结构集众多优点于一身，但是钢结构有一个致命的弱点：不耐高温。

虽然钢结构本身不具有可燃性，但是钢结构本身又有受热强度降低极易造成建筑物倒塌等特发生，钢结构建筑一旦发生火灾往往造成群死群伤等恶性火灾事故的发生。

因此，对钢结构的抗火设计、防火措施等问题应予以格外重视。

1.钢结构的特点
1.1美观
钢结构建筑中，结构的形体、构建、节点的设计与功能需达到一体化，这样，建筑更富有功能化。

同时钢结构建筑又具有较强烈的时代感和多变的外表，适于表达建筑师的想象，是融技术与艺术于一体的。

另外，钢结构建筑内部空间宽敞，可灵活布设各种管线，并方便进行扩建、改建，不会影响建筑总的布局效果。

1.2经济
钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，材料加工和安装一体化，简单迅速，能够使建筑物更早地投入使用，节省了大量的施工费用、施工进度，降低了成本；另外，钢结构建筑由于结构重量轻、柱底反力较小，节省了大量的地基处理费用，降低了造价。

而在改建和加固方面，钢结构不用使用过多费用就可以很容易地实现拆散、转移和异地组装。

1.3抗震
根据比较，相同的建筑造型，六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。

正是由于钢结构重量轻和节点力学特性，使得钢结构建筑塑性好，在一般条件下不会因荷载而突然断裂。

同时又具有韧性好，对动力荷载适应性强；总质量小、质地均匀、材质波动小，且延性好，具有较好的抗震性能。

如遇强大外力，在破坏前会有较大的变形，易于觉察和躲避。

1.4环保
钢材是一种高强度高效能的材料，适用于跨度大或荷载很大的构件和结构，具有很高的再循环再利用价值，边角料也有价值，不需要制模施工。

而钢结构建筑在施工中的干式作业减少了对环境的污染，回收利用率高、拆除成本低、噪音小、粉尘污染少，且构件运输方便，费用低，符合可持续发展的要求。

2.钢结构的耐火性能
钢结构的耐火性能取决于钢材，钢材本身不燃烧，也具有较好的耐热性，但钢材的力学性能对温度变化很敏感，随着温度的升高，钢材的强度是呈下降趋势的，同时变形增大，在200℃以下时变化不大。

当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度反而有较大提高，而塑性和韧性下降。

当温度超过300℃时，钢材的屈服强度、抗拉强度、弹性模量开始显著下降，钢材产生徐变；当温度超过400℃时，强度和弹性模量都急剧降低；达到600℃时，屈服强度、抗拉强度和弹性模量均接近于零，其承载力几乎完全丧失。

这就是所谓的钢材耐热不耐火。

因此，一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌。

3.提高钢结构耐火性能的措施
3.1选用恰当的钢结构防火设计方法
(1)基于试验的构件抗火设计。

根据规范要求，确定某一类型建筑物应具有的耐火时间，通过采取不同的防火措施，确定构件的耐火时间，然后根据建筑物的耐火时间要求，采取相应的措施，制定设计方案。

基于实验的抗火设计方法的效果非常直接和有效，是一种简单、直观的方法。

但是由于建筑物功能区域复杂化，体形越来越大，进行实验有一定的困难，在实验中很难进行准确的模拟，温度应力很难测量。

(2)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，以有限元为基础，建立任意荷载形式和端部约束状态的典型模型，进行模拟计算，确定构件的温度应力，通过模拟不同的防火措施，确定最后的结果。

这种方法考虑的因素较多，计算的结果和实际也更为接近，而且成本较低，是钢结构抗火设计发展的方向。

但是同样存在模拟的失真的问题，不能完全模拟真实情况，计算方法也没有一个统一的规范，计算结果差异较大。

(3)性能化设计方法。

传统的建筑防火规范和设计方法，仅规定了防火设计必须满足的各项设计参数指标，没有从建筑物整体上进行考虑，没有从建筑物要达到的总的安全目标进行评估我们可以根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出最优化的防火设计方案。

以性能为基础的设计方案主要优势在于，它能够精简安全系统设计，并将系统要求及相关成本降至最低。

3.2合理确定建筑的耐火等级
各种建筑由于其使用功能和重要性的不同，火灾危险性存在差异，设计时要
根据业主提供的建筑要求，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑的耐火等级，比如一个60m高的综合楼，根据《高层民用建筑设计防火规范》其属于一类高层建筑，它的耐火等级应为一级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限应分别不低于2．0h、3．0h、1．5h，如果我们在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成我们设计失误，过高造成浪费，过低则不安全。

3.3采用耐火、耐候钢建造钢结构
耐火、耐候钢是通过合适的技术，增加钢材的特殊成分，使钢材的结构及金相组织发生变化，从而改善钢材内在的耐火性和耐候性。

从图1耐火钢的强度一温度关系曲线可看出：这种钢材在温度达600℃时，屈服强度下降不大于1／3；此外它还具有自愈性或永久性。

目前我围有多家钢铁企业已成功开发建筑用耐火、耐候钢，钢结构提供了良好的用材来源。

图1 耐火钢的强度一温度关系曲线
3.4采用抗火能力强的结构形式和构件
纯钢结构的耐火性比较差，但是可以适当结合混凝土组成混合构件，或在一些关键部位直接采用钢筋混凝土结构。

例如柱子可以采用钢管混凝土柱，这样可以很有效提高耐火极限，而且钢管直径(或边长)越大，耐火时间越长，直径500mm 的圆钢管混凝土柱，当涂敷厚15mm的隔热型防火涂料时即可满足3h的耐火时间。

而像楼板和楼梯这样对防火要求较高的构件还是应该尽可能采用钢筋混凝土结构。

3.5采取合理的钢构件防火构造处理方案
钢结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工，并利于装修。

当有非燃烧体的围护或分隔构件与钢构件处于同一轴线时，可利用非燃墙体本身为钢构件提供防火保护，而不需另做防火保护层。

而对那些裸露在外的钢构件，则应采用合理的防火保护构造作法。

4.结束语
钢结构丰富了建筑结构的形式，为我们提供了大量的标志性建筑，带来了美妙的视觉效果。

也为建筑艺术的发展提供了强有力的技术支撑。

随着经济和技术的发展，人们对火灾安全的要求越来越高，对火灾的防范工作日益重视。

因此，必须充分进行钢结构的防火性能分析，有针对性地对建筑物做好防火防护措施，制订必要的应急方案，有效地提高钢结构建筑使用安全性能。

【参考文献】
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［３］许洁，赵学艺.钢结构建筑的防火保护[J].中华民居：学术刊，2010，（11）.。