混凝土结构防火设计的现状

混凝土结构防火设计的现状

摘要：随着建筑物高层化、大规模化及用途的复合化发展，在火灾防治水平不断提高的同时，火灾的防治难度也在不断加大。而目前，火灾的防御和研究主要就集中在混凝土结构防火上，因此本文就以混凝土结构防火为切入点，对其火灾对混凝土建筑的破坏进行了分析探讨，并主要阐述了混凝土结构的防火设计方法。

关键词：混凝土建筑；结构防火设计；分析

引言

火灾是自然界的主要灾害之一,总要不可避免地发生。随着社会经济的发展,火灾防治水平不断提高,致使火灾的防治难度也在不断加大,因此火灾风险也随之逐渐增大。目前,对火灾的防御和研究主要集中在建筑防火和结构防火两个方面。在建筑防火方面,《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)已为我们提出了合理、实用的设计准则、设计方法。但在结构防火设计方面,现行的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)仅初步解决了环境温度作用时混凝土结构的计算问题,因此为保证混凝土结构在火灾中和火灾后的安全性,进行结构防火设计势在必行。

一、火灾对混凝土建筑的破坏

随着国内城市化建设进步的加快，钢筋混凝土结构的建筑物变成主流，从建筑材料的燃烧性能来看，混凝土属于不燃烧体，建筑物的燃烧性能是由其中的建筑材料的燃烧性能决定，即使在遇到明火也不易起火燃烧，与老式的木结构和新型的钢结构相比，在防火方面相应的安全等级更高。

钢筋混凝土结构受到高温加热后，其抗压强度会大幅度降低，失去原有的承载力。预应力混凝土结构对高温更加敏感，受到高温后会失去预应力，耐火性能比普通钢筋混凝土结构更差。

混凝土结构中含有粗骨料、细骨料、水、水泥等多种组成成分，由于每种组成成分热膨胀系数不同，当钢筋混凝土结构构件受到高温和火灾的时候，尤其是温度超过500℃以后，混凝土中的水泥石脱水收缩，热胀冷缩作用使骨料受热膨胀，这样就使钢筋混凝土中不同成分发生膨胀收缩变化不同，而且膨胀收缩的程度也不同，这种情况使得钢筋混凝土中不同成分之间产生很大的应力，不仅破坏各骨料之间的粘结应力，还会导致钢筋和混凝土之间剥离，失去共同作用，从而彻底使结构构件丧失承载能力。

我国的建筑物耐火设计起步较晚，且研究不够全面，有些建筑物甚至根本没有相应的防火设计，即使进行了防火设计，也大多是根据经验，而没有详细的标准，我国规范中防火设计的方法主要是：

(1）首先是确定建筑结构的耐火等级，它是结构整个防火设计的基础，防火

设计中的所有重要参数都是由它确定的。

(2)在确定了建筑物的耐火极限，根据规范中的要求，参照对应的等级和不同的标准，设计结构中各个构件以及分部结构的具体的防火设计和措施。

(3)通过试验，与标准耐火试验构件进行对比，得出相对准确的试验数据，根据这一数据进行详细准确的耐火设计。

这样的方法相对简单，但仍然有许多不足之处，对全部建筑结构进行防火设计来说不够全面，尤其是对于加固工程中而言，不同的加固方法因为加固材料的不同有很大的差异，所以针对每一种加固方法需要特定的防火设计。

二、混凝土结构的防火设计方法

1、混凝土建筑结构中一般的防火设计

混凝土建筑工程中的防火方法可参照钢结构中的防火设计，其原理是在结构构件外部设置一层耐火性绝热性好、导热系数低且热容较大的材料组成的保护层，阻断和隔绝火灾中的热能量向结构构件传导，减缓结构构件受热升温，避免其在火灾中遭到严重破坏。其主要方法有喷涂法和包封法。

1）喷涂法：将防火涂料通过工具喷涂于构件外部，以提高结构的耐火性能。喷涂法的成本低，适合于各种复杂的结构构件，施工简单，对构件外观没有太大的改变，便于装饰装修。这些使其成为目前被应用最多的防火方法。但它不利于养护维修，厚度不好掌握，容易出现滑落和剥落等质量问题，这些都是它需要改进的方面。

2）包封法：用耐火材料做成保护层把结构构件维护起来。包封材料有轻质预制板材、现浇混凝土或砖、砂浆或灰胶泥和矿物纤维。以上材料既具有不可燃的特性，形成的保护层还有很大的热容量，以减缓构件升温。由于混凝土的外层在火灾中容易剥落,所以经常配合金属网一起使用。但是由于受到结构外形等因素的影响，且占用较大的建筑空间，因此其应用范围受到很大限制。

2、具体的防火设计

1）现浇混凝土层防火

在过去的设计中，经常使用现浇混凝土层将内部的结构构件包裹起来，形成保护层，起到防火作用，不同的混凝土层厚度有不同的耐火极限，当混凝土层厚度为50mm时，耐火极限能够达到3小时。

2）使用防火保护板

防火板保护法一般用于耐火等级较高的建筑物的承重结构，它的主要优点在

于施工简单、成本低、无湿作业和易于管理等。近年来研制的防火板的耐火温度已经达到1000℃以上，耐火极限达到4小时。

3）非反应性防火保护材料的应用

这种方法的原理是将无机纤维材料布置在结构构件的外部，利用其不燃性、低导热率和低吸热性等特点，以延缓构件升温速度，起到保护作用。

4）确定防火涂层的厚度

建筑物防火设计中经常使用的方法有防火涂料保护法、防火板保护法、防火喷漆保护法等，其中使用频率最大的方法为防火涂料法，防火涂料法施工工艺简单、强度高、阻燃性好、装饰性好以及成本较低，这些优势使其应用范围更广，尤其是在建筑领域。

在建筑工程实践过程中，各种结构构件的尺寸多样，外形非常复杂，为了验证试验中关于防火涂料厚度的结果，就得引入钢结构中确定防火涂料厚度的公式，并用已经得出的结论对公式进行修正,以研究混凝土防火设计中防火涂料厚度的选择。

影响防火涂层厚度的因素有很多,其中最主要的还是耐火极限时间决定,而由于混凝土结构的组成材料较多，且各个材料的热传导性能也不同，所以不能像钢结构一样利用其热传导性推算出防火涂层厚度，只能根据钢结构防火规范中的试验对比公式的规定,利用试验中得到的结论，以涂刷30mm厚防火涂料的加固试块为标准试块，得出混凝土加固工程中梁柱防火涂层厚度的经验公式为下式：

式中H1—需要确定的防火涂层厚度(mm)；

H2—通过试验测出的标准试块外表面的保护涂层厚度(mm)；

M1—需要涂抹防火涂料的混凝土构件单位长度的重量(kg/m)；

M2—标准试块单位长度的重量(kg/m)；

A1—需要确定防火涂层厚度试块的受火接触面的周长(mm)；

A2—标准试块的受火面周长(mm)；

K—修正系数。对于大体积且防火要求较高的结构构件K的取值在1～1.5之间，其它的结构构件取1。

对于混凝土中的墙板构件的防火涂料厚度主要应由其面积和火灾所产生的