钢结构设计原理论文

《钢结构设计原理》论文——浅析钢结构防火技术学院：土木建筑工程学院专业：建筑与土木工程姓名：学号：2013年12月浅析钢结构防火技术摘要：钢材是本世纪最为创新的建筑材料，在高层建筑钢结构、大跨度空间钢结构、轻钢结构等当今现代建筑工程中有广泛应用及发展前景。

钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室外温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。

本文介绍了钢结构的火灾危险性、钢结构的火灾灾害等，指出钢结构防火保护的重要性及目前现有的几种钢结构防火保护方法，并着重介绍了防火涂料对钢结构的防火保护。

关键字：钢结构应用火灾危险性防火保护防火涂料1、引言钢结构建筑具有强度高、重量轻、抗震性能好、施工快速度、结构占用面积小、地基费用省、不污染环境以及废旧材料、可以回收利用等优点，被广泛地运用于住宅、厂房、库房、体育馆、展览馆、机场机库等工程，特别是大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构，钢结构更是首选结构形式。

不少国家钢结构的用量相当高，如美国、日本、俄罗斯等国在近年来的工业建筑中钢结构用量均占到70％以上，民用建筑中钢结构用量也逐年增加,我国近年来钢产量得到了很大的提高,钢结构建筑也在不断推广中。

然而,与钢筋混凝土结构及砌体结构相比,钢结构却有一个不容忽视的缺点—抗火性能差。

当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,整个结构在极短的时间内,就会发生瞬时全部崩溃。

例如1993年福建泉州一座钢结构冷库发生火灾,造成库房倒塌以及2001年美国“911”事件,世贸中心大楼因航油燃烧使支撑大楼的钢结构体系因高温作用失效引起瘫塌,都造成了严重的生命和经济损失。

因此,随着钢结构建筑的广泛应用,钢结构的防火具有极其重要的意义。

采取防火保护措施的钢结构,可以延长火灾情况下钢结构达到临界温度的时间,减轻钢结构在火灾中的破坏,避免钢结构在火灾中局部或者整体倒塌造成灭火和人员疏散的困难以及人员伤亡,可以减少火灾后钢结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失。

2、钢结构建筑的火灾危险性2.1高温条件下钢材力学性能普通的建筑用普通建筑用钢（中国国家标GB700-88《碳素结构钢》和GB1591-1994《低合金结构钢》要求的Q235、Q345钢等）在全负荷的情况下失静态平衡稳定性的临界温度为摄氏540℃左右。

一般在300~400℃时，其强度开始迅速下降。

到500℃左右，其强度下降到40%~50%，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，低于建筑结构所要求的屈服强度，也就是低于建筑结构的承载许用应力，“钢筋铁骨”就变成了“绕指柔”。

一般裸露钢结构耐火极限只有十几分钟，所以若用没有防火保护的普通建筑用钢作为建筑特承载的主体，一旦发生火灾，则建筑物会迅速坍塌，对人民的生命和财产安全造成严重的损失。

以下图1给出了钢结构在高温下钢结构的应力应变曲线。

改革开放以来, 我国建造了几十幢超高层钢结构,另外,厂房钢结构也大量增加。

由于钢材虽为非燃烧材料, 但不耐火, 温度为400 度时, 钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半, 温度达到600 度时,钢材基本丧失全部强度和刚度, 温度对钢材性能影响见图2。

因此,一旦发生火灾,钢结构的承载能力降低, 变形增加,在较短时间内就能达到极限状态以至发生破坏。

为了人身及财产的安全, 结构抗火设计的目的是必须使得结构在规定时间内,在预期的火灾模式下,不至于达到承载能力或变形极限状态。

图2温度对钢材机械性能的影响2. 2火势发展快、蔓延迅速。

因钢结构建筑跨度大、门窗多、内部空气流通好，一旦发生火灾，蔓延途径多，火势发展快，燃烧猛烈，极易在强大气流的作用下，形成大面积火灾。

2. 2 易变形倒塌，造成群死群伤。

钢结构建筑多为人员密集场所，在火灾情况下，极易因慌乱而导致盲目的疏散，从而引起群死群伤。

2. 3 灭火救援难度大。

未经防火保护的钢结构耐火极限只有15m i n，一旦产生火警→报警→消防力量到场，火场已经成灾，不利于初期灭火，而产生的大量的热量和烟雾，又不利于消防人员深入内部去堵截，只能采取外围水枪喷洒降温。

3、钢结构抗火设计的目标与意义钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限.钢虽为非燃烧材料,但不耐火,在火灾高温下,结构钢的强度和刚度都将迅速降低(图3),而火灾升温迅速( 表 1 ),故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏.因此钢结构抗火设计的一般要求是:如何定量地确定防火保护措施,使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

图 3表1 ISO834标准升沮曲线沮度时间关系进行结构抗火设计具有如下意义:(l ) 减轻结构在火灾中的破坏,避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难;( 2 )避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡;( 3 ) 减少火灾后结构的修复费用,缩短灾后结构功能恢复周期,减少间接经济损失.4、钢结构防火保护措施4.1喷涂防火涂料钢结构防火涂料刷涂或喷涂在钢结构表面,起防火隔热作用,防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度,避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。

早在7 0 年代,国外对钢结构防火涂料的研究和应用就展开了积极的工作并取得了较好的成就,至今仍是方兴未艾。

8 0 年代初国外钢结构防火涂料就进人中国市场,在工程上应用。

从90年代初,我们国家也开始研制钢结构防火涂料,到现在已有较多优良品种广泛应用于各行各业。

4.1.1厚涂型钢结构防火涂料所谓厚涂型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8 -5 0 毫米的涂料,这类钢结构防火涂料的耐火极限可达0.5-3 小时。

在火灾中涂层不膨胀,依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性,延缓钢材的温升,保护钢件。

这类钢结构防火涂料是用合适的粘结剂,再配以无机轻质材料,增强材料组成。

与其他类型的钢结构防火涂料相比,它除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外,由于它从基料到大多数添加剂都是无机物,因此它还具有成本低廉这一突出特点。

但这类产品由于涂层厚,外观装饰性相对较差。

4.1.2薄涂型钢结构防火涂料一般讲,涂层使用厚度在3-7 毫米的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。

该类涂料受火时能膨胀发泡,以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的温升,保护钢构件。

这类钢结构涂料一般是用合适的乳胶聚合物作基料,再配以阻燃剂、添加剂等组成。

对这类型防火涂料,要求选用的乳液聚合物必须对钢基材有良好的附着力,耐久性和耐水性好。

4.1.3超薄型钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过3 毫米的钢结构防火涂料,这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡,形成致密的防火隔热层,是近几年发展起来的新品种。

它可采用喷涂、刷涂或滚涂施工,一般使用在要求耐火极限 2 小时以内的建筑钢结构上。

与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比,超薄型膨胀钢结构防火涂料的突出优点是粘度更细,涂层更薄,施工方便,装饰性更好。

在满足防火要求的同时又能满足高装饰性要求,特别是对裸露的钢结构,这类涂料是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。

4.1.4饰面型防火涂料饰面型防火徐料是一种集装饰和防火为一体的新型涂料品种,当它涂于可燃基材上时,平时可起一定的装饰作用;一旦火灾发生时,则具有阻止火势蔓延,从而达到保护可燃基材的目的。

这种涂料的发展经过了两个阶段。

初期出现的是以硅酸盐水玻璃为粘结剂的无机防火涂料,此类防火涂料主要是自身不燃烧,遇火时能形成空芯泡层,对可燃基材有一定的保护作用,缺点是隔热性能和耐候性能较差,易产生泛白、龟裂和脱落。

4.1.5透明防火涂料透明防火涂料是近几年发展起来并趋于成熟的一类饰面型防火涂料,产品广泛地适用于宾馆、医院、剧场、计算机房等木结构的装修,各种高层建筑及古建筑的装饰和防火保护。

然而,随着我国工业的迅速发展及市场上的需求,对透明防火涂料提出了更高的要求,不但要具有良好的防火性能,而且要漆膜透明光亮,耐候性能好。

防火涂料遇火产生膨胀保护基材的同时,其阻燃成份有可能释放出如HCN、H X (X 代表卤族元素)、CO 等有毒气体。

如果这些气体的浓度超过了人体忍受的极限,就会给未逃离火场的人造成伤害,另外防火涂料使用一定时间后会产生分解、降解、老化等问题,造成涂层剥落、粉化或失去防火性能。

防火涂料的安全性和耐久性是当今该领域内急待攻克的难题。

4.2充水冷却保护法充水冷却保护方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水,火灾时构件把从火场中吸收的热量传给水,依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走,构件温度便可保持在10 0 ℃左右。

从理论上讲,这是钢结构保护最有效的方法。

该系统工作时,构件相当于盛满水被加热的容器,象烧水锅一样工作。

只要补充水源,维持足够水位,而水的比热和气化热又较大,构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。

冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。

蒸气由排气口排出。

当柱高度过大时,可分为几个循环系统,以防止柱底水压过大,为防止锈蚀或水的冰结,水中应掺加阻锈剂和防冻剂。

水冷却法既可单根柱自成系统,又可多根柱联通。

前者仅依靠水的蒸发耗热,后者既能蒸发散热,还能借水的温差形成循环,把热量导向非火灾区温度较低的柱。

随着建筑业的不断发展,钢结构因其自身独特的优点将得到越来越广泛的应用,但是由于钢材不耐火,极易导热,对钢结构的防火保护又是迫在眉睫,笔者希望在不久的将来,随着科技的不断发展,钢结构的防火保护措施能够更加多样化,研制出更加价廉、耐火、性能可靠的护层和经济高效的施工技术的钢结构保护材料,应用于我们的生活。

4.3采用耐火钢耐火钢是近年来新开发的一种新产品。

它可以在1080 ℃高温大火中燃烧15 0 分钟而不屈型,使用耐火耐候钢可以不用或减少涂装,大大节约维护工本;钢材厚度可减薄,节约综合成本 3 0 %以上。

且这种耐火性和耐候性还具有永久性和自愈性,即钢材不论在加工或焊割后,还是在服役使用中表面擦撞或火灾后,其耐候性、耐火性可以不变,这是普通钢及附加保护层后不可能具有的,由此所带来的效益是难以估量的。

可见,耐火耐候钢经济效益非常显著,将为促进和发展我国的钢结构产业作出一份贡献。

据悉,目前宝钢集团公司研制的耐火耐候钢已开始在国内一些耐火耐候等级的大型厂房、民居、商务楼等得到应用,受到钢结构加工、施工单位和最终用户的好评。

4.4喷射无机纤维喷射无机纤维既是指一种人造的新型材料,也是指一种新的施工作业技术。

喷射无机纤维是无机纤维应用的另外一种形式,在国外已是比较成熟的技术,在国内还是一种新的施工作业技术。

简单地说,喷射无机纤维就是将粒状无机纤维通过喷射施工方式,喷打在被附着表面(基面)上,粒状棉与粒状棉再相互聚集,而形成附着在基面上有一定形状的纤维层材料。