淺談鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)

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摘要：鋼結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑工程中較普通的結(jié)構(gòu)形式之一。我國是最早用鐵制造承重結(jié)構(gòu)的國家，遠(yuǎn)在秦始皇時代(公元前246-219年)，就已經(jīng)用鐵做簡單的承重結(jié)構(gòu)，而西方國家在17世紀(jì)才開始使用金屬承重結(jié)構(gòu)。公元3-6世紀(jì)，聰明勤勞的我國人民就用鐵鏈修建鐵索懸橋，著名的四川瀘定大渡河鐵索橋，云南的元江橋和貴州的盤江橋等都是我國早期鐵體承重結(jié)構(gòu)的例子。

  關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)耐火我國雖然早期在鐵結(jié)構(gòu)方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束縛，科學(xué)不發(fā)達(dá)，因此，長期停留于鐵制建筑物的水平。直到19世紀(jì)末，我國才開始采用現(xiàn)代化鋼結(jié)構(gòu)。新中國成立后，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，不論在數(shù)量上或質(zhì)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了過去。在設(shè)計、制造和安裝等技術(shù)方面都達(dá)到了較高的水平，掌握了各種復(fù)雜建筑物的設(shè)計和施工技術(shù)，在全國各地已經(jīng)建造了許多規(guī)模巨大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)廠房、大跨度鋼結(jié)構(gòu)民用建筑及鐵路橋梁等，我國的人民大會堂鋼屋架，北京和上海等地的體育館的鋼網(wǎng)架，陜西秦始皇兵馬傭陳列館的三鉸鋼拱架等。1.鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。1.1鋼結(jié)構(gòu)的重量輕，雖然鋼的比重大，但因其機(jī)械性能很好，可以承受較大的荷載，故鋼結(jié)構(gòu)件截面尺寸小，同樣跨度同樣荷載時，鋼屋架的重量最多不過鋼筋混凝土屋架的1/4或1/3，鋼結(jié)構(gòu)的重量小，便于運(yùn)輸。1.2.材質(zhì)均勻，與力學(xué)計算的假定比較符合，鋼材內(nèi)部組織比較均勻，按近于各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況與建筑力學(xué)計算的結(jié)果比較符合。1.3.鋼結(jié)構(gòu)制造、安裝機(jī)械化程度高。鋼結(jié)構(gòu)具有某種段度的技術(shù)密集型性質(zhì)，鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單一，而且是成品，加工簡便，機(jī)械化程度高，建造迅速，容易保證質(zhì)量，適宜于成批大量生產(chǎn)，從構(gòu)件的工廠加工到現(xiàn)場吊裝，工業(yè)化程度大大高于具有勞動密集性質(zhì)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。1.4.鋼結(jié)構(gòu)安裝施工簡便。綱結(jié)構(gòu)由專業(yè)化金屬構(gòu)件廠生產(chǎn)構(gòu)件(梁、屋架、柱等)，在工地上用電焊或螺栓(或高強(qiáng)螺栓)連接起來，施工安裝簡便迅速，提高施工速度，已成為降低工程造價的最主要因素，結(jié)構(gòu)造價問題已降到次要的地位。而且，螺栓連接的鋼結(jié)構(gòu)便于改造拆遷。1.5.鋼結(jié)構(gòu)在平面布局上的靈活性，則是另一重要特點。在信息時代的今天，對室內(nèi)平面，空間和內(nèi)部設(shè)施的要求更加嚴(yán)格了。原先的布局和設(shè)備，不久就可能變成不太適用或完全不適用，鋼結(jié)構(gòu)卻可為平面重新布局提供更大的可能性，從而延長建筑物的使用壽命。鋼結(jié)構(gòu)雖然有這么多優(yōu)點，但卻有一個致命的缺點：不耐火。鋼材雖然是不燃材料，但在火災(zāi)高溫作用下，其力學(xué)性能如屈服強(qiáng)度、彈性模量等卻會隨溫度升高而降低，在550℃左右時，降低幅度更為明顯，一般在15分鐘左右就會喪失承重能力而垮塌。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑物的火災(zāi)案例都證明，發(fā)生火災(zāi)后20分鐘以內(nèi)就把建筑物燒垮，最后形成一片廢墟。1973年5月天津市體育館火災(zāi)，1969年12月上海文化廣場火災(zāi)，1972年8月北京二七機(jī)車車輛廠纖維板車間火災(zāi)，都曝露了鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差的致命弱點。2.鋼結(jié)構(gòu)的耐火保護(hù)方法。由于鋼結(jié)構(gòu)耐火能差，在火災(zāi)高溫作用下很快失效倒塌，耐火極限僅15分鐘，若采取措施，對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，使其在火災(zāi)時溫度升高不超過臨界溫度，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中就能保持穩(wěn)定性，對鋼結(jié)構(gòu)采取的保護(hù)措施，從原理上來講，主要可劃分為兩種：截流法和疏導(dǎo)法。2.1.截流法截流法的原理是截斷或阻滯火災(zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，從而使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫升不超過其臨界溫度。其作法是構(gòu)件表面設(shè)置一層保護(hù)材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料，再由保護(hù)材料使給構(gòu)件。由于所選材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，而熱容又較大，所以能很好地阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用。截流法又分為噴涂法、包封法、屏蔽法和水噴淋法。2.1.1.噴涂法噴涂法是用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴在構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按所使用的膠粘劑的不同可分為有機(jī)防火涂料和無機(jī)防火涂料兩類，按涂層厚度分為薄涂型和厚涂型兩類，薄涂型鋼結(jié)構(gòu)涂料涂層厚度一般為2～7mm，有一定裝飾效果，高溫時涂層膨脹增厚，具有耐火隔熱作用，耐火極限可達(dá)0.5～1.5小時，這種涂料又稱綱結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚度一般為8～20mm，粒狀表面，密度較小，導(dǎo)熱系數(shù)低，耐火極限可達(dá)0.5～3.0小時，這種涂料又稱鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理有三個：一是涂層對鋼基材起屏蔽作用，使鋼結(jié)構(gòu)不至于直接暴露在火焰高溫中。二是涂層吸熱后部分物質(zhì)分解放出的水蒸汽或其他不燃?xì)怏w，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。三是涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成碳化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強(qiáng)度的降低，從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要品種有：LB、SG—1、SB—2、SS—1鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要品種有：LG鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料、STI—A、JG276、ST—86、SB—1、SG—2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等。在噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時，噴涂的厚度必須達(dá)到設(shè)計值，節(jié)點部位宜適當(dāng)加厚，當(dāng)遇有下列情況之一時，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼結(jié)構(gòu)相連的鋼絲網(wǎng)，以確保涂層牢固。——承受沖去振動的梁——設(shè)計層厚度大于40mm寸——粘貼強(qiáng)度小于0.05MPa的涂料——腹板高度大于1.5m的梁噴涂法適用范圍最為廣泛，可用于任何一種鋼構(gòu)件的耐火保護(hù)。2.1.2.包封法包封法就是在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護(hù)層，將構(gòu)件包封起來，其具體做法有：2.1.2.1.用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護(hù)層。所使用的材料有混凝土、輕質(zhì)混凝土及加氣混凝土等。這些材料既有不燃性，又有較大的熱容量，用作耐火保護(hù)層能使構(gòu)件的升溫減緩。由于混凝土的表層在火災(zāi)高溫下易于剝落，可在鋼材表面加敷鋼絲網(wǎng)，進(jìn)一步提高其耐火的性能。2.1.2.2.用砂漿或灰膠泥作耐火保護(hù)層。所使用的材料一般有砂漿、輕質(zhì)巖漿、珍珠巖砂漿或灰膠泥、蛭石砂漿或石灰膠泥等。上術(shù)材料均有良好的耐火性能，其施工方法常為金屬網(wǎng)上涂抹上述材料。2.1.2.3.用礦物纖維。其材料有石棉、巖棉及礦渣棉等。具體施工方法是將礦物纖維與水泥混合，再用特殊噴槍與水的噴霧同時向底子噴涂，構(gòu)成海綿狀的覆蓋層，然后抹平或任其呈凹凸?fàn)睢Ｉ鲜龇绞娇芍苯訃娫阡摌?gòu)件上，也可以向其上的金屬網(wǎng)噴涂，且以后者效果較好。2.1.2.4.用輕質(zhì)預(yù)制板作耐火保護(hù)層。所用材料有輕質(zhì)混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸鈣成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述預(yù)制板包覆構(gòu)件，板間連接可采用釘合及粘合。這種構(gòu)造方式施工簡便而工期較短，并有利工業(yè)化。同時，承重(鋼結(jié)構(gòu))與防火(預(yù)制板)的功能劃分明確，火災(zāi)后修復(fù)簡便且不影響主體結(jié)構(gòu)的功能，因而具有良好的復(fù)原性。2.1.3.屏蔽法屏蔽法是把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的墻體或吊頂內(nèi)，在鋼梁、鋼屋架下作耐火吊頂，火災(zāi)時可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火能力，而且這種方法還能增加室內(nèi)的美觀，但要注意吊頂?shù)慕涌p、孔洞處應(yīng)嚴(yán)密，防止竄火。2.1.4.水噴淋法水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時，自動啟動(或手動)開始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護(hù)作用。由上述可知，這些方法的共同特點是設(shè)法減小傳到構(gòu)件的熱流量，因而稱之為截流法。2.2.疏導(dǎo)法與截流法不同，疏導(dǎo)法允許熱量傳到構(gòu)件上，然后設(shè)法把熱量導(dǎo)走或消耗掉，同樣可使構(gòu)件溫度不至升高到臨界溫度，從而起到保護(hù)作用。疏導(dǎo)法目前主要是充水冷卻保護(hù)這一種方法。該方法是在空心封閉截面中(主要是柱)充滿水，火災(zāi)時構(gòu)件把從火場中吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件溫度便可保持在100℃左右。從理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)最有效的方法。該系統(tǒng)工作時，構(gòu)件相當(dāng)于盛滿水被加熱的容器，象燒水鍋一樣工作。只要補(bǔ)充水源，維持足夠水位，而水的比熱和氣化熱又較大，構(gòu)件吸收的熱量將源源不斷地被耗掉或?qū)ё?。冷卻水可由高位水箱或供水管網(wǎng)或消防車來補(bǔ)充。蒸氣由排氣口排出。當(dāng)柱高度過大時，可分為幾個循環(huán)系統(tǒng)，以防止柱底水壓過大，為防止銹蝕或水的冰結(jié)，水中應(yīng)摻加阻銹劑和防凍劑。水冷卻法既可單根柱自成系統(tǒng)，又可多根柱聯(lián)通。前者僅依靠水的蒸發(fā)耗熱，后者既能蒸發(fā)散熱，還能借水的溫差形成循環(huán)，把熱量導(dǎo)向非火災(zāi)區(qū)溫度較低的柱。