[现代钢结构建筑的特点及防火保护]钢结构建筑防火规范

　　随着改革开放的不断深入和社会经济的迅速发展，城市建设日新月异，一些大跨度的超高层建筑不断涌现，同传统的木结构、砖石结构和钢混结构相此，钢结构因具有强度高、受荷能力强、自重轻、体积小、构件制造与安装方便等优点得到大量广泛的应用，比如上海的经茂大厦、福州海峡国际会展中心等都全部或者大部分采用了钢结构，还有许多大型公共建筑(包括国家太型项目，重点项目)比如体育馆、火车站、剧院、飞机场的航站楼等，包括奥运场馆，都大部分采用钢结构建筑。但是钢结构就其自身耐火性能来讲，远低于砖石和钢混结构，2001年9月11日，位于美国纽约市中心的世贸大厦遭到两架民航客机的撞击，仅过了20多分钟，这座摩天大厦就轰然倒塌，造成了数干人的重大伤亡。如此庞大的建筑为何这般不堪一击，建筑学家们众说纷纭，但有一点是肯定的，那就是和这座建筑的全钢结构有很大的关系。随着钢结构建筑的不断增加，钢结构防火问题不容回避。
　　
　　1　现代钢结构建筑的特点：
　　
　　1，1跨度大、高度高，结构形体灵活
　　钢结构具有：(1)重量轻：钢材料的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，因为钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多，在同样受力情况下钢结构自重小：(2)强度高，塑性韧性好：在一般条件下不会因超载而突然断裂，同时钢结构对动力荷载的适应性强，弹性模量高，使钢材具有优越的抗震性能；(3)材质均匀：钢材组织均匀，接近各向同性均匀体，同时钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合；以上特点能够满足超高度和超跨度建筑的要求，使钢结构可以做成跨度大、高度高，结构形体灵活的建筑。如上海卢浦大桥箱型钢拱跨度达550m，润扬长江大桥的大跨悬索桥跨度达1490m，上海的金茂大厦高度达420m。
　　1，2构件制造和安装方便
　　钢结构建筑模数的协调统一使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性，可以使建筑的预工程化提高，提高了施工速度。
　　1，3建筑外观艺术化
　　现代建筑的设计在完善使用功能的前提下都追求完美的建筑外形，特别有些是城市的标志性建筑更为讲究，钢构件因形体灵活和可拆卸性成为形象构成的重要因素，让建筑与结构的设计一体化，可以创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。
　　1，4原材料重复使用
　　我国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑和木结构建筑大国，节约建筑材料资源和提高建筑材料的重复利用率非常必要，尤其对于资源和能源都非常短缺的我国意义尤为重大，钢材具有很高的再循环利用价值，甚至边角料都可利用，发展钢结构建筑对于倡导和发展节约型社会有重要意义。
　　
　　2　钢结构建筑的火灾危险性
　　
　　2，1防火性能差
　　在未进行防火保护的情况下，火灾时，其强度会迅速下降，约在150℃以内钢材性能没有很大的变化，250℃附近出现兰脆现象，约260℃－320℃时有徐变现象，430℃－540℃之间则强度急剧下降，400℃时屈服应力仅有常温屈服应力值的50％，按理论计算，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℃，600℃丧失承载能力，一般火场温度达到800℃～1000℃，在这样的温度下裸露的钢结构很快出现塑性变形，造成钢材料建筑整体倒塌。
　　2，2面积大、空间大，易形成立体燃烧
　　钢结构建筑高度高、空间大的重要特点是空气流通好、门窗洞口多，发生火灾易向上、左右蔓延，且速度极快，易形成大面积的立体燃烧。许多案例证明，这种火灾在10－15分钟就发展到猛烈阶段，室内的火可以很快窜向屋顶形成敞开式的大面积燃烧，钢构件受高温作用很快失去承重能力而倒塌，而倒塌之后又可加快燃烧和蔓延速度。
　　2，3人员密集、疏散困难，易造成群死群伤事故
　　钢结构建筑空间大，容纳人数多，少则几百人，多则几千人，一旦发生火灾，人们往往会因恐惧情绪造成心理上的不安，争相逃生，容易造成场面混乱，不易组织疏散，又往往因为没有及时有序的疏散，或因为安全出口不足，或出口被火势封死，或出口被锁闭而造成重大的伤亡事故。
　　
　　3　钢结构的防火保护原理及措施
　　
　　3，1防火保护原理
　　目前对钢结构进行防火保护的方法很多，这些方法从原理上可分为两种：截流法和疏导法。截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度，这种方法包括喷涂法、包封法、屏蔽法、水喷淋法。疏导法的原理是允许热流量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用，充水冷却法就是这个原理。
　　3，2防火保护措施
　　3，2，1喷涂法
　　目前在实际工程应用中，钢结构防火保护方法绝大多数是采用喷涂钢结构防火涂料法。根据高温下钢结构防火涂层遇火变化的情况可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料：
　　(1)膨胀型防火涂料：又称为薄型防火涂料，代号B，涂层厚度一般为2-7mm，有一定的装饰效果，高温时膨胀形成比原涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳化层，耐火极限可达0.5～1.5小时，这类钢结构防火涂料一般以有机树脂为基料，再配以阻燃剂、发泡剂、成碳剂等组成，对这类防火涂料要求选用的聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性、耐水性，通常用在小等于2小时耐火极限的钢结构防火保护工程中，常采用喷涂施工，该类防火涂料分室内和室外应用两种类型。室内型产品不能用于室外，室外型则可以用于室内外。
　　(2)非膨胀型防火涂料：又称为厚型防火涂料，代号H，涂层厚度一般为8－50mm，这类防火涂料粒状表面，密度较小，热导率低，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性，耐火极限可达0.5－3小时，又称为钢结构防火隔热涂料。这类防火涂料以无机绝热材料(如膨胀蛭石，漂珠，矿物纤维)为主，掺加无机粘结剂，在火灾中利用材料的不燃性、低导热性或涂层材料的吸热性，延缓钢材的温升保护钢材，常用喷涂施工，一般用在耐火极限大等于2小时的钢结构防火保护中，也有室内和室外两种类型。
　　近年来国外生产出类似于木结构用饰面型防火涂料，应用于钢结构时涂层厚度只需2－3mm即可使钢构件耐火极限达1-2小时。但从防火机理看仍属于膨胀型防火涂料，只不过达到同样的耐火极限需要的涂层较薄而已，国内将涂层3mm及以下，且耐火极限达1.5小时及以上的膨胀型防火涂料，称为超薄型防火涂料(代号CB)。这种涂料是一种以拼合树脂为基料，轻溶剂油为溶剂的溶剂型钢结构防火涂料，涂料装饰性好，防火隔热效果显著，理化性能优，涂层超薄，施工方便，经常用于表面积较小的轻钢梁、钢网架的防火保护。
　　3，2，2包封法
　　(1)用现浇混凝土作外包层时，可以采用在钢结构上现浇成型，也可采用喷涂法。现浇通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度，喷涂通常在施工现场将钢结构表面涂抹砂浆以形成保护层，还可以用珍珠棉、石膏、石棉和轻混凝土做成的预制板，采用胶粘剂和钉子固定在钢结构上。这种方法保护层强度高、耐冲击、占用空间大，适用于容易碰撞、无保护面板的钢柱防火保护。如上海外滩一些建于20世纪二、三十年代的建筑中，不少就是钢结构建筑，其钢梁、钢柱的防火保护就是在钢构件外面缠绕钢丝(增加粘结力)，然后再浇抹混凝土。
　　(2)用轻质防火板外包时，可以采用纤维增强水泥板(rK板、FC板)、五膏板、蛭石板、硅酸钙板等非燃材料对大型钢构件进行箱式包裹，使钢结构的耐火极限可以由0.25小时提升到设计规范规定的耐火极限，具有施工方便、装修面平整、成本低、无污染、耐老化等优点。防火板在西方发达国家已大量使用，在我国尚处于起步阶段，是钢结构防火保护新的发展方向。
　　3，2，3水喷淋法
　　这种方法主要用于体育馆等大空间建筑钢结构部分的防火保护，喷淋的水流一、起冷却作用，二、起窒息作用(水被汽化后形成的水蒸汽为惰性气体，排斥空气窒息燃烧)。用在钢结构保护的喷淋系统宜选用快速响应喷头，以缩短喷头响应的时间，抑制和控制初期火灾，在靠近裸露钢结构的部位应设加密喷淋以增加冷却的效果。
　　3，2，4在空心钢构件内充水
　　这种方法只适用于空心钢构件的保护，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走。如美国的堪萨斯州银行大厦及匹兹堡钢铁公司大厦，就是在其空心的钢构件中灌注防冻、防腐的水溶液，火灾时通过其循环吸热来保证结构安全。这种方法很少采用，在国内没有应用过，对构件的防腐防渗漏要求较高。
　　3，2，5屏蔽法
　　把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，经常用于钢屋盖的防火保护。
　　3，2，6混合保护法
　　这种方法紧贴钢板用防火涂料，外用防火薄板作罩面板，一般用于表面有装饰要求，又要涂刷厚质防火涂料的钢柱。
　　
　　4　结语
　　
　　随着大空间、标志性的建筑物越来越多，建筑结构从土木、砖混、钢混向钢结构发展是一种趋势，不断研究和提高钢结构的防火保护技术显得十分必要，一些新型的防火材料和高耐火极限钢材即将应用到现代钢结构中去。
　　
　　(编辑／陈志华)