钢结构防火措施的对比研究

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钢结构防火措施的对比研究
李焕群 李驰原
廊坊 065000) ( 武警学院消防工程系 摘
要 : 介绍钢结构在国内外的工程应用及其面临的防火 挑战 , 在列举种种 防火措施 的基础上对 比分析 防火措施 对比分析
各种防火措施的优缺点 , 最终提出性能化防火设计是必然趋势。 关键词 : 钢结构
COMPARATIVE STUDY ON FIREPROOF MEASURES OF STEEL STRUCTURES
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喷涂法和包封法的对比 当前 , 喷涂法和包封法是最常用的防火保护方
害、 易燃气体 ; 据统计, 建筑火灾中人员死亡 80% 为 烟气中毒而死。而包封法在施工、 正常使用环境和 火灾高温下均无有毒释放物 , 有利于环境保护和火 灾时的人员安全。 4) 经济效益好。防火措施成本应考虑材料费、 施工周期及日后维修费用等。目前, 国产钢结构防 火涂料的市场售价 30~ 50 元/ kg, 进口超薄型钢结 构防火涂料的市场售价达到 150~ 180 元 / kg , 某些 特殊防火涂料的价格甚至达到 500 元 / kg 。虽然其 施工简单、 工期短而使施工费用低 , 但如前所说, 涂 料存在老化等缺点 , 因此日后其维修费用高。而包 封法虽然施工复杂 , 施工费用高 , 但所用材料价格便 宜 , 且维修费用低。综合考虑, 包封法比喷涂法经济 效益好 , 特别是在高层及大跨度钢结构中。 除此之外, 喷涂法防火涂料施工质量可控性差, 对基材的除锈、 防火涂料的涂层厚度、 施工环境湿度 等不易控制 , 因而防火性能不易保证。 鉴于新型防火板的上述特点 , 尤其是在钢骨架 结构防火保护 方面比之防火涂料具有 较明显的优 势 , 但是在空间结构体系钢结构防火保护中, 防火涂 料仍具有不可替代的作用。 4 结 论
1 钢结构的应用现状与面临的挑战 随着新型防火涂料和隔热材料的不断问世, 钢 结构作为建筑结构的一种 形式, 以其 强度高、 自重 轻、 有良好的变形性和抗震性、 施工周期短、 结构形 式灵活等优点, 在建筑业中得到了广泛的应用 , 尤其 在超高层和大跨度建筑等方面更显出了强大的生命 力。截至 1998 年底 , 世界上 200m 以上的高层建筑 中钢结构占 72% 。在全世界最高的 10 幢建筑中, 全 钢结构占 5 幢, 钢与混凝土混合结构有 5 幢, 见表 1。
综上所述, 钢结构的几种防火措施各有优缺点, 根据国内外工程实践, 主要以喷涂法为主 , 包封法次 之 , 而在某一钢结构建筑的具体防火设计施工中 , 往 往多种措施并用。这主要是考虑几种防火措施的特 点。下面就以上几种防火措施在原理、 性能、 适用范 围等方面作一比较。 3 1 截流法与疏导法的特点比较( 见表 2) 截流法与疏导法的目的都是为了使构件在规定 的时间 , 温度升高不超过其临界温度 , 不同的是截流 法是通过阻止热量向构件传输来达到目的 , 而疏导 法允许热量传到构件上 , 再把热量导走来实现目的。 从理论上来讲, 疏导法是最有效的方法, 但由于技术 和经济的原因, 目前主要使用的还是截流法。
第一作者 : 李焕群 男 1974 年 10 月出生 讲师 工学硕士
世界 10 幢最高的高层建筑 ( 到 1998 年 )
城市 吉隆坡 芝加哥 上海 纽约 纽约 吉隆坡 纽约 香港 香港 芝加哥 建成年份 层数 高度 / m 1997 1974 1998 1972 1973 1998 1931 1992 1988 1973 88 110 88 110 110 77 102 78 72 83 452 443 421 417 415 382 381 374 368 346 材料 钢 / 混凝土 钢 钢 / 混凝土 钢 钢 钢 / 混凝土 钢 钢 / 混凝土 钢 / 混凝土 钢
工业建筑 2005 年第 35 卷增刊
表2
做 法 原 理 截流法 喷涂法 包封法 屏蔽法 水喷淋法 疏导法 充水冷却法
截流法和疏导法的特点比较
保护材料 各种防火涂料 防火板材、 混凝土、 砖、 砂浆 防火板材 水 充水循环 适应范围 任何钢结构 钢柱、 钢梁 钢屋盖 大空间钢结构 钢柱
用喷涂机具将防火涂料直接喷涂构件表面 用耐火材料把构件包裹起来 把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内 设喷淋管网 , 在构件表面形成连续流动的水膜 空心构件充水 , 依靠水的蒸发消耗热量或通过水循环把热量导走
建筑物 双塔大厦 西尔斯大厦 金茂大厦 世贸中心北楼 世贸中心南楼 瑞凯特广场 帝国大厦 中心广场 中国银行 石油大厦
我国钢结构的起步虽然较晚 , 但近几年来钢结 构应用技术得到了 蓬勃的发展。如北京的奥 体中 心、 国家大剧院和上海的金茂大夏、 浦东国际机场等 以及许多大跨度厂房建筑都是典型的钢结构建筑。 在钢结构建筑得到广泛应用的同时 , 也面临着 一些挑战。研究结果表明, 钢材本身虽然不会起火
I ndustrial Construction Vol. 35, Supplement, 2005
收稿日期 : 2005- 04- 10
工业建筑
2005 年第 35 卷增刊
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料或方法阻隔热量向钢结构传递积累的速度, 推迟 钢结构温升和强度减弱的时间。目前, 世界各国对 钢结构的防火保护有多种方法 , 这些方法从原理上 来说可分为两种 : 截流法和疏导法。 2 1 截流法 截流法的基本原理是截断或阻滞火灾产生的热 量传到钢构件上 , 使构件在规定的时间内温度不超 过临界温度 , 具体的方法是在构件表面设置一层保 护材料, 火灾产生的高温首先传给这些保护材料, 再 由保护材料传给钢构件, 由于保护材料的导热系数 较小 , 而热容量又较大, 所以能够很好地阻滞热流向 构件的传输, 保护构件。根据保护材料、 施工工艺和 适用性的不同, 截流法又分为喷涂法、 包封法、 屏蔽 法和水喷淋法。 2 1 1 喷涂法 喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构 件表面, 形成保护层。钢结构防火涂料的品种较多 , 根据防火机理可分为两类: 一类是薄涂型防火涂料 ( B 类) , 亦即钢结构膨胀防火涂料; 另一类是厚涂型 涂料 ( H ) 类, 即钢结构防火隔热材料。 喷涂法的特点是施工技术简便且涂料 种类较 多, 多用于梁、 柱、 楼板、 屋盖等各构件的保护, 其不 足之处是喷涂时污染环境 , 材料损耗较大, 装饰效果 不太理想。 2 1 2 包封法 包封法是最常见的也是最基本的钢结构保护方 法, 它是用耐火材料把构件包裹起来。包封的材料 有防火板材 , 陶粒混凝土, 砖、 钢丝网抹灰粉刷等。 混凝土 , 砖、 钢丝网抹耐火砂浆为传统包封材料 , 它 们本身具有耐火性能, 根据厚度的不同耐火极限也 不同 , 因此可以用来包裹钢构件, 使钢构件达到一定 的耐火极限。上海浦东的世界金融大厦的钢柱即采 用这种方法。但是 , 混凝土和砖的耐火极限随着厚 度增加而增加, 因此采用这种防火措施的钢结构通 常身材臃肿占地较多 , 另外, 在一些构件上的施工也 较为困难 , 特别是钢梁、 斜撑等构件 , 同时也不利于 节约材料。 钢结构防火 用板材分两类 : 一类是 防火薄板。 其特点是密度大 ( 800~ 1 800kg / m 3 ) , 强度高( 抗折 强度 10~ 50M Pa) , 导热系数大 ( 0 2~ 0 4W m K- 1 ) , 使用厚度大多在 6~ 15mm 之间 , 主要用作轻 钢龙骨隔墙的面板、 吊顶板( 又统称为罩面板 ) , 以及 钢梁、 钢柱经厚涂型防火涂料涂覆后的装饰面板; 另 一类是防火厚板。其特点是密度小( 400kg/ m ) , 导 热系数低 ( 0 08W m - 1 K - 1 ) , 其厚度可按耐火极限 需要确定, 大致在 20~ 50mm 之间。由于本身具有 286
3 - 1
优良的耐火隔热性 , 可直接用于钢结构防火, 提高结 构耐火极限。 2 1 3 屏蔽法 屏蔽法是把钢构件包裹在耐火材料组成的墙体 或吊顶内, 主要适宜用于钢结构的屋盖系统的保护。 屏蔽法与包封法的区别是 : 包封法中保护材料与构 件紧密相挨; 屏蔽法中保护材料与构件之间有一定的 空间, 因此吊顶的接缝和孔洞处应严密, 防止串火。 2 1 4 水喷淋法 水喷淋法是用水做保护材料 , 它是在钢结构顶 部设喷淋供水管网 , 火灾时自动启动 ( 或手动 ) 开始 喷水, 在构件表面形成一层连续流动的水膜, 从而起 到保护作用。它类似防火卷帘的保护水幕。这种方 法广泛应用于高层建筑中。 2 2 疏导法 疏导法允许热量传到钢构件上 , 但它可通过设 置的系统把热量导走或消耗 , 从而使钢构件的温度 不至于高到临界温度, 以起到保护作用。 疏导法的应用国 内外仅有充水冷却这一种方 法。该方法是在空心封闭的钢构件( 主要为柱) 充满 水连成管网, 火灾发生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 量带走, 使钢构件 的温度控制在 100 左右。从理 论上讲, 这是钢结构保护最有效的方法。冷却水可 由高位水箱或供水管网或消防车来补充 , 蒸汽由专 设的排气口排出。为防止锈蚀和结冰, 水中要加阻 锈剂和防冻剂。水的冷却系统可单根柱自成系统, 也可多根柱联通。 疏导法在美国的萨斯州银行大厦和美国的匹兹 堡钢铁公司大厦得到了应用 , 但在我国尚未采用过。 3 钢结构防火措施的对比分析
表1
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
燃烧, 但其耐火性能极差, 在未进行防火处理的情况 下遇火, 强度会迅速下降。一般结构温度达到 350、 500、 600 时 , 强度分别下降 1/ 3、 1/ 2 、 2/ 3。根据理 论计算 , 在全负荷情况下, 使钢结构失去静态平衡稳 定性的临界温度为 500 左右 , 而一般火场温度达 到 800~ 1 000 。在这样高的温度下, 裸露的钢结 构会很快地出现塑性变形, 产生局部破坏 , 最终造成 钢结构整体倒塌失效。最典 型的例子莫过于 2001 年 9 月 11 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 420m 高的钢 结构摩天建筑先 后轰然坍塌 , 造成近 4 000 人死亡和巨大的经济损失。 因此钢结构建筑必须采取相应的防火措施 , 钢 结构防火保护 的目的就在于提高钢结 构的耐火极 限 , 满足防火设计规范规定的要求, 防止钢结构在火 灾中迅速升温到临界温度 , 防止产生过大变形以至 建筑物倒塌, 从而为灭火和人员安全疏散赢得宝贵 时间 , 避免或减少火灾损失。随着钢结构性能化设 计在国内外的逐步采用 , 钢结构建筑将会得到更加 广泛的应用和发展。 2 钢结构防火措施 钢结构防火保护的原理是采用绝热或吸热的材
Li Huanqun L i Chiyuan 065000)
( Department of F ire Engineering, College of A rmed Policeman L angfang
Abstract: T his paper introduces the engineering applications of t he steel structures at home and abroad firstly, then shows the auster e challenge faced by steel structur es M any measures of firepr oo f are narrated, then the mer it and demerit of the measures by contrast are analy zed So it is inev itable to use performance based fire design Keywords: steel structur e measure of fireproof analyze by contrast
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