玻璃幕墙火灾特性与防火保护

是de玻璃幕墙火灾特性与防火保护

一、概论

1.1前言

火创造了人类的文明，推动了社会的进步，但火灾也给人们的生命财产、自然资源带来了极大的危害。在美国“9.11”恐怖袭击事件中，正是由

于熊熊燃烧的大火使高达423

米的纽约世贸大楼瞬间倒塌，

同时也无情地吞噬了近5000

人的生命。血的教训使我们更

加深刻的认识到“高耐火度的

结构构件和构造设计是确保

整体建筑在猛烈的火灾荷载

作用下不垮的关键所在”。随

着玻璃幕墙在现代建筑中被

日益广泛的采用，其防火性能也越来越被人们所重视。本文将就玻璃幕墙火灾特性与防火保护进行较为详细的论述，由于本人业务水平有限，不实之处恳请指正。

1.2建筑火灾特点

建筑火灾发展分三个阶段：火灾起始阶段，其延续时间根据具体条件约5~20分钟，此时燃烧是局部的，火势不稳定，室内平均温度约50~100℃；火灾发展到旺盛燃烧阶段，这阶段温度高，室内大部分物体都在猛烈燃烧，热分解显著，室内平均温度约150~270℃，最高温度350℃；第三个

阶段为火灾熄灭阶段，此时室内可燃物质基本燃光，火灾自行熄灭。从火灾发生到旺盛燃烧阶段，室内平均温度达到300℃是需要一定时间的，最少需要30多分钟。据统计，我国80%的火灾延续时间在1.0小时以内，96%的火灾延续时间在2.0小时以内。

影响火灾严重性的因素主要有：可燃材料的燃烧性能、火灾荷载、可燃材料的分布、着火房间的大小、形状、热性能、房间开口的面积和形状。火灾荷载：是指建筑物中的可燃烧材料的数量

厚实性系数：是指单位长度内受热表面积与体积之比。

1.3建筑设计防火规范及基本概念

建筑物耐火的等级是衡量建筑物耐火程度的分级，《建筑设计防火规范》（GBJ 16-87）中规定：我国根据建筑物的重要性和它在使用中的火灾危险性将耐火等级分为四级，绝大部分的工业与民用建筑属于二级或三级。《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）中规定：高层建筑的耐火等级分为一、二两级。

建筑物耐火等级，是由组成房屋构件的燃烧性能和构件最低的耐火极限来决定的。耐火极限，即按构件试验标准升温，对构件进行耐火试验，从受到火的作用时起到构件失去支撑能力或完整性被破坏或失去隔火作用的时间，这段时间被称为耐火极限，其单位用小时表示。构件失去支撑能力：是指构件自身解体或垮塌；梁、楼板等受弯承重构件，挠曲速率发生突变，是失去支撑能力的象征。完整性被破坏：是指楼板、隔墙等具有分隔作用的构件，在试验中出现穿透裂缝或较大的孔隙。失去隔火作用：是指具有分隔作用的构件在试验中背火面测温点测得平均温升到达140℃（不包括背火面的起始温度）；或背火面测温点中任意一点的温升到达180℃；

或不考虑起始温度的情况下，背火面任一测点的温度到达220℃（这时虽没

应符合《建筑设计防火规范》要求，所以防火是玻璃幕墙主要性能之一。《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102-96）中4.4.4条规定：玻璃幕墙的防火设计应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》（GBJ 16-87）的规定，《建筑设计防火规范》中规定：“建筑物非承重外墙、疏散走道两侧隔墙，二级采用非燃烧体，耐火极限为一小时；三级采用非燃烧体，耐火极限为半小时。建筑物房间隔墙，二级采用非燃烧体；三级采用难燃烧体，耐火极限均为半小时”；高层建筑玻璃幕墙的防火设计尚应符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）的有关规定，《高层民用建筑设计防火规范》中规定：“高层建筑物非承重外墙、疏散走道两侧隔墙，一、二级均采用非燃烧体，耐火极限为一小时”。因玻璃幕墙多用于建筑外墙或房

间隔断，属于非燃烧体，所以其耐火极限满足0.5~1.0小时的防火设计要求也就不言而喻了。

二、玻璃幕墙材料火灾特性分析

玻璃幕墙耐火等级，是由组成幕墙构件的燃烧性能和构件最低的耐火极限来决定的。我国根据建筑材料的燃烧性能，将其分成四个级别：A—不燃性建筑材料；B1—难燃性建筑材料；B2—可燃性建筑材料；B3—易燃性建筑材料。《建筑设计防火规范》中规定：耐火等级为一级的建筑物，必须采用不燃材料制作的构件。与玻璃幕墙有着直接和间接联系的材料主要有钢材、铝合金、玻璃、胶及塑料、混凝土等五大类材料，其中绝大部分属于不燃性建筑材料。但在高温条件下，不燃材料会发生各种物理、化学变化，如钢材在550℃左右急剧软化，以至受火构件15~30分钟突然倒塌；普通玻璃受火1分钟炸裂脱落，致使火焰穿出失去隔火作用；混凝土强度降低，变形增大，甚至可能爆烈等。这说明材料不燃，制成的构件不一定耐火性好。因此，只有充分了解这些材料在火灾中的特性，才能有针对性地进行防火设计，提高幕墙整体耐火等级，最大限度地减少和限制火灾给人民生命、财产安全带来的危害。

2.1钢材的火灾特性

钢材作为一种“轻质高强”的建筑材料，已成为幕墙重要的支撑构件，但就防火的角度而言，钢材对火的敏感性十分强，它又不是一种理想的耐火结构材料。由于钢材在高温作用下的物理特性直接影响着幕墙在火灾中的整体稳定性，所以对钢材在高温作用下的物理特性进行深入分析是十分必要的。

2.1.1钢材的分类

⑴钢材在高温作用下的强度

钢的抗拉强度在100℃时有所降低，随后开始上升，在250℃升高到最大值，随后又开始下降，温度升高到500℃时，抗拉强度降低很大，只有常温下时1/2，600℃时为常温的1/3，1000℃时降为零。钢材的延伸率、颈缩

率在250℃左右为极小，称为蓝脆区，蓝脆性是由随着温度而变化的不同程

度可溶性的元素碳和氢引起的；以后随温度上升而升高，说明高温时钢材

的塑性变好。布氏硬度在300℃到达最高点，然后随温度升高而下降，630

℃左右下降到原来的1/2。

钢材强度随温度降低情况可以用降低系数（Mat）表示。表2-1是某些

钢材屈服强度温度降低系数。

表2-1钢材屈服强度温度降低系数（Mat）

温度100℃ 200℃ 250℃ 300℃ 350℃ 400℃ 450℃ 500℃A3（非冷拉） 1.0 0.99 — 0.81 — 0.67 — 0.59 A3（冷拉）0.97 0.92 — 0.92 — 0.69 — 0.44 16Mn 0.90 0.84 0.82 0.77 0.64 0.64 0.54 0.43 25MnSi 0.93 0.88 0.84 0.82 0.71 0.66 0.56 0.44

材料的弹性模量越小，在给定应力的条件下，变形就越大。材料的弹

性模量随温度增加而迅速减小，高温下钢筋弹性模量可用下式计算：

E at=βa E a

式中：E at——温度t时钢筋的弹性模量；

E a——常温时钢筋的弹性模量；

βa——钢筋弹性模量变化系数，可以按表2-2取值

表2-2钢筋弹性模量变化系数

温度20~50℃ 100℃ 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃

βa 1 0.96 0.92 0.88 0.83 0.78 0.73

钢材被加热时，原子间距增加，金属出现热膨胀现象。钢材温度增加1

℃，所增加的长度与原来长度的比值，称线膨胀系数（αL）

αL=L2－L1/L1(t2－t1)