钢结构建筑防火设计浅析
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摘要：由于钢结构存在不耐火的致命弱点，发生火灾时极易发生倒塌，造成重大的人员伤亡和财产损失，其防火问题备受人们关注。本文就钢结构火灾特点和防火设计谈一点自己的见解，供大家参考。
关键词：钢结构建筑；防火；设计
近年来，我国经济有了突飞猛进的发展，随着经济的发展带来了建筑业的空前繁荣，一些大跨度、超高层建筑应运而生。建筑物中运用钢结构种类越来越多，厂房、桥梁、住宅等，工厂仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑也越来越广泛运用轻钢结构。由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高，而钢结构本身具备自重轻、强度高、掩工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。
1.钢结构的优点
钢结构之所以运用越来越广泛，这正是由于其自身巨大优点所决定的。钢结构具有许多优点：首先，重量轻、强度高。其次，抗震性能好，其延性比钢筋混凝土好。从国内外震后调查结果看，钢结构建筑倒塌数量最少的。再次，钢结构构件在工厂制作，减少现场工作量，缩短施工工期，符合产业化要求。第四，钢结构工厂制作质量可靠，尺寸精确，安装方便，易与相关部品配合。还有就是钢材可以回收，建造和拆除时对环境污染较少。总之，钢结构与传统的混凝土结构相比较，具有自重轻、强度高、抗震性能好，施工快等优点。适合于活荷载占总荷载比例较小结构，更适合于大跨度空间结构、高耸构筑物并适合在软土地基上建造。也符合环保与资源再利用的国策，其综合经济效益越来越为各方投资者所认同。
2.钢结构建筑的火灾危险性
2．1耐火性能差
钢材本身不燃烧，却不耐高温，其机械性能如屈服点、弹性模量、抗压强度、荷载能力等均会随温度的升高而急剧下降，当钢构件温度达到350、500、600摄氏度时，强度分别下降1／3、1／2、2／3。而明火焰的温度通常在700～2000℃之间，远远超过钢材的承受能力。而且钢构件由单一材料组成，导热系数大，在高温作用下，热量会迅速传导至内部，温升快，在标准时间―升温曲线的试验条件下，裸露钢构的耐火时间仅15分钟，不如普通木柱的耐火时间。
2．2跨度大、空间大．火灾蔓延迅速
跨度大、空间大是钢结构建筑的显著特点，而且大部分钢结构建筑无明显有效的防火分隔，门窗多，内部空气流通好，可燃物料多，一旦发生火灾，热辐射强，烟雾浓，燃烧猛烈，在强大热气流的作用下，火势迅速向垂直、水平方向蔓延，形成大面积火灾。
2．3整体连接性强。易变形倒塌
钢结构作为承重构件，在火灾状态下，遇高温受热膨胀，强度降低，再遇冷水急剧收缩，脆性增强，极易失去支撑作用。由于钢结构整体连接性强，只要局部遭到破坏，就能形成建筑物的整体坍塌和毁灭。
3.钢结构建筑的防火设计
3．1 合理确定建筑物的耐火等级
各种建筑物由于其使用功能和重要性的不同，火灾危险性也存在差异。设计时要根据业主提供的建筑要求，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称《高规》)，确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑物的耐火等级。比如一个60m高的综合楼，根据《高规》其属于一类高层建筑，它的耐火等级应为一级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限应分别不低于2，3，1．5h。如果在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成设计失误，过高造成浪费，过低则埋下安全隐患。
3．2 耐火保护
要使钢结构材料在实际运用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理。其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变塌落。
3．2．1 喷涂法
喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶黏剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类；按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类。薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7mm，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0．5～1．5h，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料；厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0．5～3．0h，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。
钢结构防火涂料的防火原理有：一是涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中；二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用；三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。
在喷涂钢结构防火涂料时，喷涂的厚度必须达到设计值，节点部位宜适当加厚。必要时，涂层内应设置与钢结构相连的钢丝网，以确保涂层黏附牢固。喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢构件的耐火保护。
3．2．2 包封法
包封法就是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法如下。
(1)用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温速度减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，进一步提高其耐火性能。
(2)用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上述材料均有良好的耐火性能，其施工方法常是金属网上涂抹上述材料。
(3)用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水雾同时直接喷在钢构件上，也可以向钢构件上的金属网喷涂(后者效果较好)，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。
(4)用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等。其做法是以上述预制板包覆构件，板问连接可采用钉合及黏合。这种构造方式施丁简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)与防火(预制板)的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。
3．2．3 屏障保护法
屏障保护法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下做耐火吊顶。火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美。但要注意吊顶的接缝、孔洞处是否严密，防止窜火。
3．2．4 水喷淋法
水喷淋法是在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。
3．2．5 充水冷却保护法
与前四种方法不同的是充水冷却保护法允许热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。该方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水，火灾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导走，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。
3．3 进行有效的防火分区
在钢结构建筑物内部进行有效的防火分区，可以防止火势向其他区域蔓延、扩散。防火分区在普通民用建筑中较易实现，如在门、厅、楼梯等处采取一些技术措施。如用防火墙、防火门、防火卷帘加水幕。但对于现代轻钢结构厂房及大型公共场馆的大跨度、大空间来说，防火分区的设置具有一定难度。
3．4 要充分考虑人员疏散问题
由于钢结构建筑自身存在的弱点，在合理防护的基础上，设计时还要充分考虑人员疏散的因素，将人员密度指标和钢结构建筑的特点综合起来考虑，加强对安全疏散路线、疏散距离、疏散宽度的设计要求，保证人员疏散时间小于建筑构件的耐火极限，确保火灾时人员能安全逃生，以最大限度地减少人员伤亡和财产损失。
4.结束
科学技术的进步，审美观的改变必然使得钢结构建筑不断地去扩展自身的表达语汇而寻求发展。随着我国钢产量的增加，钢结构在建筑中的应用必然会越来越广泛，也必然会产生越来越深远的影响。我们所提倡的是要抛开风格要素，从理性主义出发，创造出技术和艺术有机融合的钢结构精品建筑。
参考文献
[1]赵风华，黄金林．钢结构设计原理[M]．北京：高等教育出版社，2005：337．
[2]公安部四川消防科学研究所编辑．钢结构防火涂料应用技术规范CEC524：90[M]．北京：中国计划出版社，1990．
[3] 《钢结构设计手册》编辑委员会．钢结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004：624．
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