钢结构防火设计与保护

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常可观∀

吊车荷载最不利组合发生概率问题

在厂房排架计算和柱构件设计中 均考虑 台吊车 甚

至 台 同时重载运行

同时刹车 这是结构设计的最不利荷载 它直接控制设计结果 但这种荷载发生概率到底多大 值

得研究∀

钢结构防火设计和保护

方 强

上海高桥石油化工设计院 上海

摘 要 论述了石油化工企业钢结构防火设计的目的 意义和重要性

介绍了基于试验的传统钢结构防火设计和基于计算的现代钢结构防火设计的方法和优缺点

对钢结构防火保护和防火涂料的选用进行了比较和推荐∀关键词 钢结构 传统 现代 防火设计 防火保护 防火涂料

ΦΙΡΕΠΡΟΟΦΙΝΓ∆ΕΣΙΓΝΑΝ∆ΠΡΟΤΕΧΤΦΟΡΣΤΕΕΛΧΟΝΣΤΡΥΧΤΙΟΝ

ΑΒΣΤΡΑΧΤ

ΚΕΨ ΟΡ∆Σ

钢结构具有强度高 重量轻 塑性和韧性好 施工进度快

等特点 它适用于各种工程结构 尤其在石油化工企业中运

用广泛∀但随着钢结构建筑的发展 随之而来的是防火保护问题日趋突出∀钢材虽为非燃烧材料 但钢不耐火 其耐火

极限仅为 ∀在火灾的温度作用下

钢结构的强度是温度的函数∀当结构温度达到 ε时 其强度分别

下降 当结构温度达到 ε以上时 将完全丧

失承载能力∀图 图 分别为钢材高温时的Ρ Ε曲线和强度变化曲线∀

图 钢材高温时Ρ Ε曲线

图 钢材高温时强度变化

钢结构发生火灾 往往导致结构倒塌 带来重大人员伤

亡和经济损失 国内外钢结构遭火灾倒塌的例子不胜枚举∀其中 最典型的莫过于 年 月 日 美国纽约世界贸

易大厦双塔遭恐怖分子飞机撞击 航空煤油爆炸后引发高温燃烧 两幢 高的钢结构摩天建筑先后轰然坍塌 造成近 人死亡和 多亿美元的经济损失∀种种迹象表

明 钢结构防火的研究 设计和运用已越来越受到重视∀

石油化工企业支承设备 管道的框架 支架 管架以及室内外结构大多为钢结构 由于其生产装置 设备 产品的特殊性和危险性 一旦发生火灾往往会引起泄漏 爆炸等连锁反应 危害极大∀基于此 为减轻钢结构建筑在火灾中的损坏 石化企业钢结构的防火设计目的应该是避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难 避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡 减少火灾后结构的修复费用 缩短火灾后钢结构功能恢复周期 减少间接经济损失∀总之 钢结构的防火设计和保护具有深远的现实意义和实用价值∀ 承重钢结构防火保护部位和耐火极限要求

建筑物中承重钢结构需做防火保护

国家标准 建筑设计防火规范 年修订版 中对建筑物的耐火等级 燃烧性能及相应的建筑物应达到的耐火极限的规定 见表 所示∀

国家标准 石油化工企业设计防火规范 作 者 方 强 男 年 月出生 工程师收稿日期

方 强 钢结构防火设计和保护

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中

对承重结构需作耐火保护的规定 见表 ∀表 建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限

构件名称耐火等级 燃烧性能和耐火极限 一级二级三级四级防火墙非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

承重墙 楼梯间 电梯井墙非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

难燃烧体

支承多层的柱非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

难燃烧体

支承单层的柱

非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

燃烧体梁非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

难燃烧体

楼板非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

难燃烧体

屋顶承重构件非燃烧体 非燃烧体

燃烧体燃烧体

疏散楼梯

非燃烧体

非燃烧体

非燃烧体

燃烧体

石化企业钢结构防火设计目标 一般要求和特点

石油化工钢结构防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∀在火灾高温下 结构钢的强度和刚度都将迅速降低 而火灾升温迅速 故无防

火保护的钢构件在火灾中很容易破坏∀因此 石油化工钢结表 耐火保护

耐火极限

单个容积∴ 的设备

的承重钢框架 支架

介质为甲 乙 类液体

介质温度∴自燃点可燃液体

在爆炸危险区范围内的主管廊的钢管架∴

承重钢框架

单层框架 以下的梁柱 多层框架 以下的梁柱∀ 承重钢支架

全部梁柱∀ 以下的柱

当最下层梁高超过 时 保护至梁下 处 但不宜低于

上部有空冷器的管架的斜撑∀

构防火设计的一般要求是 如何定量确定防火保护措施 使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限∀ 但应引起注意的是

石油化工中的 火 与标准意义中的 火 有着较大的区别∀目前

现行国家标准 石油化工企业设计防火规范 在标准耐火试验中采用的曲

线为时间 温度标准曲线 它是以木质纤维为燃烧介质的 通常称为标准火∀而石油化工中的火 它是以油 气为燃烧介质的火 通常称为烃类火∀两者的升温曲线比较详见表 ∀从表中可以看出 标准火升温较慢 温度较低 时间较长 而烃类火升温快 温度高 时间短∀ 时烃类火大约为标准火温升的 ∗ 倍 时大约为标准火温升的

∗ 倍∀因此

在石油化工钢结构防火设计中应针对烃类火火灾温升的特点 选择相应的防火保护材料 确定相应的耐火极限 对火灾早期的高温火进行防范∀

表 几种升温曲线温升比较

单位

不同时间对应炉内温升 ε

自然火

烃类火美孚石油公司

烃类火荷兰 国家研究院

烃类火

英国 研究中心

钢结构防火的设计方法

钢结构防火设计的实质是 选定保护材料及所需厚度 从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火

稳定性∀

传统的钢结构防火设计方法

以耐火试验法进行防火设计 其步骤为

根据建筑物的使用特性和火灾危险性大小 确定建筑物相应的耐火等级

根据耐火等级选择承重构件的耐火极限和燃烧性

能

选定构件防火保护材料和构造方法 用标准耐火试验校准其耐火极限∀

其优点在于 方法简单 仅需选择保护材料和进行材料厚度选取或计算 适用性强 对柱 梁 楼板等钢构件同等适用∀

其缺陷表现在三个方面 首先 考虑因素不周 将构件从结构中弧立起来 未考虑结构的整体防火 其次 构件受火在结构中产生的温度应力和结构端部约束始终不能反映 而两

者是影响构件耐火时间的重要因素

最后 构件实有耐火极限的确定不够合理 通过有限次因素不够全面的耐火试验 其结果同构件实际受火后的受力性能有一定的差异∀

因此 传统防火设计方法有时失之经济 有时又失之安全∀

基于计算的现代钢结构防火设计方法

即用计算的方法代替标准试验的方法 可以免除传统方法中所存在的问题 是钢结构防火设计发展的方向∀目前计算方法有几种 用构件的临界温度Τ 和当量升温时间Τ 来确定防火保护层厚度的Τ Τ 耐火设计方法 直接按耐火

等级选择构件的耐火极限τ 求出构件临界温度Τ 后 用τ

Τ 为控制条件求保护层厚度的Τ τ耐火设计方法∀笔者

推荐我国第一部钢结构防火设计标准 上海市钢结构防火技术规程 报批稿 中采纳的设计方法 其计算过程如下

采用确定的防火措施

设定一定的防火被覆厚度∀ 计算构件在确定的防火措施和耐火极限下的内部温

度∀

采用确定高温下钢的材料参数 计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力∀

钢结构防护