钢结构防火设计和保护

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万方数据
方 （!） 进行荷载效应组合 式中 ! " !" # " $ # % " !$% # $% & # % !& # & ’ # % !’ #（ ’ #( ） — — 荷载组合效应； ! — — — 永久荷载标准值； $# — — — 楼面或屋面活载 （不考虑屋面雪载） 标准值； &# — — — 风载标准值； ’# — — — 构件或结构的温度变化 （考虑温度效应） ； #( — — — 永久荷载分项系数， 取 ( ) *； !" — — — 楼面或屋面活载分项系数， 取 * ) +； !$% — — — — 风载分项系数， 取 或 ， * * ) , 选不利情况； !& — — 温度效应的分项系数， 取 ( ) *； !’ — — — 永久荷载、 楼面或屋面活载、 风载和温度影 # "、 # $%、— # &、 #’ 状态验算。 验算要求为： !! ) 式中 ) 为按确定温度条件下的构件的极限承载力。 （.） 当设定的防火被覆厚度不合适时 （过大或过小） ， 可 调整防火被覆厚度， 重复上述 （(） （ ） 步骤。 / 基于计算的防火设计方法， 优点是： 考虑了多个影响因 素， 从构件的实际工作条件出发， 进行耐火设计， 从而与实际 情况更接近； 用保护材料的热物理参数测定法取代了构件的 耐火试验， 使试验工作简化并大大降低了费用。 缺陷是： 目前计算方法尚未统一； 计算较为复杂， 各计算 方法之间计算结果差异较大。 ! 钢结构防火保护方法
不同时间对应炉内温升 # 7 *’ +23 /)! * ’’’ * ’’’ !6) (’ +23 4"* * *’’ * *(’ * *%’ /’ +23 !") * *)’ * *4’ * *!’ !’ +23 !4/ * *)’ * "’’ * "’’ *"’ +23 * ’"!
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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
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 $F 5+)。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 GF#、 其强度分别 F##、 H##I 时， 下降 $ J G、 当结构温度达到 H##I 以上时， 将完全丧 $ J !、 ! J G， 失承载能力。图 $、 图 ! 分别为钢材高温时的 ! ! 曲线和强 " 度变化曲线。
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际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。在火灾高温下， 结 构钢的强度和刚度都将迅速降低， 而火灾升温迅速， 故无防 火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此， 石油化工钢结 表#
单位 自然火 烃类火 烃类火 烃类火 89: 0 4(% 美孚石油公司 荷兰 ;<=>?< 国家研究院 英国 @ABB23C?D3 研究中心
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亡和经济损失， 国内外钢结构遭火灾倒塌的例子不胜枚举。 其中， 最典型的莫过于 !##$ 年 K 月 $$ 日， 美国纽约世界贸 易大厦双塔遭恐怖分子飞机撞击， 航空煤油爆炸后引发高温 燃烧， 两幢 "!# 5 高的钢结构摩天建筑先后轰然坍塌， 造成 近 " ### 人死亡和 $ ### 多亿美元的经济损失。种种迹象表 明， 钢结构防火的研究、 设计和运用已越来越受到重视。 石油化工企业支承设备、 管道的框架、 支架、 管架以及室 内外结构大多为钢结构， 由于其生产装置、 设备、 产品的特殊 性和危险性， 一旦发生火灾往往会引起泄漏、 爆炸等连锁反 应， 危害极大。基于此， 为减轻钢结构建筑在火灾中的损坏， 石化企业钢结构的防火设计目的应该是避免结构在火灾中 局部倒塌造成灭火及人员疏散困难； 避免结构在火灾中整体 倒塌造成人员伤亡； 减少火灾后结构的修复费用， 缩短火灾 后钢结构功能恢复周期， 减少间接经济损失。总之， 钢结构 的防火设计和保护具有深远的现实意义和实用价值。
构防火设计的一般要求是： 如何定量确定防火保护措施， 使 得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。 但应引起注意的是， 石油化工中的 “火” 与标准意义中的 “火” 有着较大的区别。目前， 现行国家标准 《石油化工企业 设计防火规范》 （ -.)’*/’ 0 !" ） 在标准耐火试验中采用的曲 线为时间1温度标准曲线， 它是以木质纤维为燃烧介质的， 通 常称为标准火。而石油化工中的火， 它是以油、 气为燃烧介 质的火， 通常称为烃类火。两者的升温曲线比较详见表 (。 从表中可以看出， 标准火升温较慢、 温度较低、 时间较长， 而 烃类火升温快、 温度高、 时间短。 *’ +23 时烃类火大约为标 准火温升的 * & %4 5 * & )" 倍， !’ +23 时大约为标准火温升的 在石油化工钢结构防火设计中应针对 * & *6 5 * & "" 倍。因此， 烃类火火灾温升的特点， 选择相应的防火保护材料， 确定相 应的耐火极限， 对火灾早期的高温火进行防范。
方
强： 钢结构防火设计和保护
钢结构防火设计和保护
方 强
上海 !#$!#%） （上海高桥石油化工设计院
摘 要
论述了石油化工企业钢结构防火设计的目的、 意义和重要性， 介绍了基于试验的传统钢结构防火设计和基于计算的现代 钢结构 传统 现代 防火设计 防火保护 防火涂料
钢结构防火设计的方法和优缺点， 对钢结构防火保护和防火涂料的选用进行了比较和推荐。 关键词
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钢结构防护 中， 对承重结构需作耐火保护的规定， 见表 "。 !"） 表 ! 建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限
构件名称 防火墙 承重墙、 楼梯 间、 电梯井墙 支承多层的柱 支承单层的柱 梁 楼板 屋顶承重构件 疏散楼梯 耐火等级、 燃烧性能和耐火极限 # $ 一级 非燃烧体 % & ’’ 非燃烧体 ( & ’’ 非燃烧体 ( & ’’ 非燃烧体 " & )’ 非燃烧体 " & ’’ 非燃烧体 * & )’ 非燃烧体 * & )’ 非燃烧体 * & )’ 二级 非燃烧体 % & ’’ 非燃烧体 " & )’ 非燃烧体 " & )’ 非燃烧体 " & ’’ 非燃烧体 * & )’ 非燃烧体 * & ’’ 非燃烧体 ’ & )’ 非燃烧体 * & ’’ 三级 非燃烧体 % & ’’ 非燃烧体 " & )’ 非燃烧体 " & )’ 非燃烧体 " & ’’ 非燃烧体 * & ’’ 非燃烧体 ’ & )’ 燃烧体 非燃烧体 * & ’’ 四级 非燃烧体 % & ’’ 难燃烧体 ’ & )’ 难燃烧体 ’ & )’ 燃烧体 难燃烧体 ’ & )’ 难燃烧体 ’ & ") 燃烧体 燃烧体 !* & ) 耐火 极限 # $
图! 钢材高温时强度变化 作 者：方 强 男 $KHO 年 $$ 月出生 收稿日期：!##! N #! N !H 工程师
钢结构发生火灾， 往往导致结构倒塌， 带来重大人员伤
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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 ，P-7A $O，Q- A H# &1007 4-)912;61+-) A !##!（"） 万方数据 同时重载运行， 同时刹车， 这是结构设计的最不利荷 至 " 台） 载， 它直接控制设计结果， 但这种荷载发生概率到底多大， 值 得研究。
表"
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耐火保护
单个容积!) + 的设备 在爆炸危险区范围内的 的承重钢框架、 支架 介质为甲、 介质温度!自燃 主管廊的钢管架 乙 , 类液体 点可燃液体 当最 * & 承重钢框架： % & ) + 以下的柱， 单层框架 % & ) + 以下的梁柱； 下层 梁 高 超 过 % & ) + 多层框架 *’ + 以下的梁柱。 时， 保 护 至 梁 下 (’’ 全部梁柱。 但不宜低于 ++ 处， " & 承重钢支架： 上 部有 空 冷 器 % & ) +； 的管架的斜撑。
图$
Байду номын сангаас
钢材高温时! ! 曲线 "
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承重钢结构防火保护部位和耐火极限要求 （$） 建筑物中承重钢结构需做防火保护， 国家标准 《建筑
设计防火规范》 （ ,LM$H N %O） （!##$ 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》 （ ,LF#$H# N
几种升温曲线温升比较
者是影响构件耐火时间的重要因素； 最后， 构件实有耐火极 # 钢结构防火的设计方法 钢结构防火设计的实质是： 选定保护材料及所需厚度， 从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火 稳定性。 #$! 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 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 ! E 和当量升温时间 ! < 来 确定防火保护层厚度的 ! E " ! < 耐火设计方法； 直接按耐火 等级选择构件的耐火极限 # ， 求出构件临界温度 ! E 后， 用 #、 笔者 ! E 为控制条件求保护层厚度的 ! E " # 耐火设计方法。 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 "’’" 年第 % 期第 *6 卷总第 /’ 期 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