第9章 钢结构火灾事故

第9章钢结构火灾事故

9.1 火灾对钢结构的危害

火灾是一种失去控制的燃烧过程，火灾可分为“大自然火灾”和“建筑物火灾”两大类。所谓大自然火灾是指在森林、草场等自然区发生的火灾。而建筑物火灾是指发生于各种人为建造的物体之中的火灾。事实证明建筑火灾发生的次数最多，损失最大，约占全部火灾的80%左右。

据不完全统计，1980年美国发生火灾300万起，造成直接经济损失62.5亿美元，1989年到1991年三年间，美国因火灾造成的直接经济损失分别为92亿美元、82亿美元和100亿美元，日本为4500亿日元、5200亿日元和7900亿日元。我国20世纪50年代、60年代、70年代、80年代年平均火灾直接经济损失为0.5亿元、1.5亿元、2.5亿元、3.2亿元，进入20世纪90年代至今，火灾损失日趋严重。

钢结构作为一种蓬勃发展的结构体系，优点有目共睹，但缺点不容忽视，除耐腐蚀性差外，耐火性差是钢结构的又一大缺点。因此一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌。例如，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严重破坏；我国也有许多因火灾而造成的钢结构事故。典型实例如下：

（1）1993年福建泉州的一座钢结构冷库发生火灾，造成3600m2的库房倒塌。

（2）1996年江苏省昆山市的一座轻钢结构厂房发生火灾，4320m2的厂房烧塌。

（3）1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑（钢结构）整体倒塌。

（4）某歌舞厅平面尺寸为14×30m，长向北面为数个小包间、无窗，南面为大歌厅、有窗，屋盖为正放四角锥网架，2×2m网格，网架高度为1m，焊接空心球节点，钢筋混凝土屋面板，无吊顶。1996年6月，一小包间起火，火势迅速蔓延，火焰由南面的窗子走出，从起火到灭火约一小时，温度估计到500℃以上。火灾后该网架虽未倒塌，但有70根杆件发生了不同程度的变形。变形的杆件多集中在网架的四角和中间部位，最严重的是在东北角、西北角和中间部位。最大变形的矢高为12cm（一腹杆），其它的矢高为3—5cm；中部下弦杆变形有的向下，有的向上，还有呈S形的。上弦杆为单槽钢，由9根杆件变形。有二根斜腹杆与焊接空心球的连接焊缝被拉开1cm。现已对70根变形杆件采用了换杆、包杆和加杆（对上弦）的方法进行了处理。

（5）1984年6月，某体育馆正在施工过程中发生了火灾，屋盖为66×90m八边形的两向正交正放网架，火灾范围仅在长跨端头的两个开间，火烧时间约2小时，最高温度达700—800℃，有几根腹杆弯曲变形，其矢高在火直接燃烧部分超过了计算值，最大超过一倍多。

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这次火灾事故虽然造成了一些损失，但是由于建设、设计和施工单位的重视，灾后对网架结构杆件在高温下及冷却后的机械性能进行了试验研究和鉴定工作，为修复、加固提供了宝贵的经验和依据。

（6）1995年某跨度为47m单层球面网壳，在工程将竣工交付使用时，由于焊工在补焊一零件时，引起网壳上已涂刷好的油漆着火。火焰从网壳底部向四周蔓延到半个壳体，由于温度不很高，灭火及时，未造成网壳损害。

（7）某体育馆于1993年11月发生了火灾，大火持续了一小时，屋盖网架由于喷涂了防火涂料，网架未发生变形。

尤其值得一提的是，美国纽约世贸中心大楼在2001年9.11事件中轰然倒塌的情景至今记忆犹新，这是历史上火灾给钢结构带来的最大灾难。

表9.1是我国一些钢结构在发生火灾时的倒塌实例。

钢结构火灾倒塌实例表9.1

9.2 钢结构在火灾中的失效分析

钢材的力学性能对温度变化很敏感。由图9.1可见，当温度升高时，钢材的屈服强度f y、抗拉强度f u和弹性模量E的总趋势是降低的，但在200℃以下时变化不大。当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度f u反而有较大提高，而塑性和冲击韧性下降，此现象称为“兰脆现象”。当温度超过300℃时，钢材的f y、f u和E开始显著下降，而δ显著增大，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600℃时，f y、f u和E均接近于零，其承载力几乎完全丧失。

因此，我们说钢材耐热不耐火。

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图9.1 温度对钢材力学性能的影响

当发生火灾后，热空气向构件传热主要是辐射、对流，而钢构件内部传热是热传导。随着温度的不断升高，钢材的热物理特性和力学性能发生变化，钢结构的承载能力下降。火灾下钢结构的最终失效是由于构件屈服或屈曲造成的。

钢结构在火灾中失效受到各种因素的影响，例如钢材的种类、规格、荷载水平、温度高低、升温速率、高温蠕变等。对于已建成的承重结构来说，火灾时钢结构的损伤程度还取决于室内温度和火灾持续时间，而火灾温度和作用时间又与此时室内可燃性材料的种类及数量、可燃性材料燃烧的特性、室内的通风情况、墙体及吊顶等的传热特性以及当时气候情况（季节、风的强度、风向等）等因素有关。火灾一般属意外性的突发事件，一旦发生，现场较为混乱，扑救时间的长短也直接影响到钢结构的破坏程度。

9.3 钢结构的防火方法

钢结构由于耐火性能差，因此为了确保钢结构达到规定的耐火极限要求，必须采取防火保护措施。通常不加保护的钢构件的耐火极限仅为10～20分钟。 9.3.1钢构件的耐火极限的确定

1．耐火极限的概念

就钢结构整体的耐火极限而言，定义为：“建筑确定的区域发生火灾，受火灾影响的有关结构构件在标准升温条件下，使整体结构失去稳定性所用的时间，以小时（h ）计。”

钢构件的耐火极限定义为：钢构件受标准升温火灾条件下，失去稳定性、完整性或绝热性所用的时间，一般以小时（h ）计。

失去稳定性是指结构构件在火灾中丧失承载能力，或达到不适宜继续承载的变形。对于梁和板，不适于继续承载的变形定义为最大挠度超过L/20，其中L 为试件的计算跨度。对