李建朝 魏伦杰 王志宽

摘要:近年来,大跨度钢架结构广泛应用于各类建筑物。通过对钢构件耐火性能分析,结合规范要求,对目前通用的几种钢结构防火保护措施作了比较。

关键字:钢架结构 防火 措施

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,一些大跨度钢架结构应运而生,厂房、桥梁、住宅、体育馆、展览馆、商场、超市等建筑越来越广泛运用轻钢结构。钢结构作为现代建筑的主要形式,因具有质量轻、强度高,抗震性能好,施工周期短,建筑工业化程度高,空间利用率大,节省投资等优点,而被大量应用。但钢架结构耐火性能差,要克服这一缺点就必须对其进行防火处理。

一、钢构件的特点和钢材性能

钢是含碳量小于2%的铁碳合金,碳大于2%时则为铸铁。制造钢构件所用的材料由碳素结构钢中的低碳钢及低合金钢。碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成。低合金结构钢中,除上述元素外还加入合金元素,后者总量通常不超过3%。碳是形成钢材强度的主要成分。碳含量提高,则钢材强度提高,但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。含碳量小于0.25%的为低碳钢,钢结构用钢的碳含量一般不大于0.22%。钢材虽然是不燃烧体,但就其自身耐火性能来讲,远低于砖石和钢筋混凝土,钢结构建筑具有耐火性能差这个致命弱点,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;430℃—540℃之间则强度急剧下降;600℃时强度很低不能承担荷载。另外,250℃四周出现兰脆现象,约260℃—320℃时有徐变现象。在自身温度达到540℃左右时,钢材的屈服应力仅有常温屈服应力值的40%,使承载能力急剧下降,钢结构不可避免地发生变形,造成钢结构建筑物一部分或全部垮塌毁坏。一般火场温度达到800℃—1000℃,在这样高的温度下,裸露的钢结构会很快出现塑性变形,产生局部破坏,造成钢结构建筑整体倒塌。

二、钢构件的耐火等级

钢的内部晶体组织对温度非常敏感,温度的升高或者降低都会使钢材性能发生变化。总的趋势是随着温度的升高,钢材强度降低,变形增大。

耐火极限是指对任一建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火实验,从受到火的作用时起,到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时止的这段时间。常用钢结构构件的耐火极限只有15min—30min。我国20世纪90年代初对裸露钢梁的耐火极限进行了验证,确认I36b、I40b标准工字钢梁的耐火极限分别为15min、16min。

《建筑设计防火规范》中,将建筑物的耐火等级划分为四级,划分的依据是组成建筑物的构件的燃烧性能和构件最低的耐火极限。未经防火保护的钢结构建筑物的耐火等级仅为四级,不能满足火灾情况下对建筑防火的要求。所以,钢结构建筑物必须对钢结构进行必要的防火保护,克服其材料实际应用中耐火性能的不足,达到规范对相应使用性质和建筑规模建筑物的耐火等级要求。

三、钢架结构的防火保护

防止钢架结构在火灾中迅速升温发生形变塌落,其措施是多种多样的,关键是要根据不同情况采取不同方法,如采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构,降低热量传递的速度以推迟钢结构的温升时间等。我国的钢结构防火主要采用防火涂料、发泡防火漆、外包防火层、内充水(水套)、屏蔽等方法。对于外露的钢结构构件,如楼梯等多用涂料和漆料,采用10～40mm厚的涂料,耐火极限可达1.5～3h,而发泡漆的耐火时间一般为0.5h。对隐藏的构件,珍珠岩防火喷涂或采用防火板是经济有效的方法,30～40mm厚的喷涂可实现1.5h的耐火极限,并兼有一定的防腐能力。暴露钢构件一般采用耐腐蚀涂料或油漆防腐,由底漆和面漆组成。目前防腐涂料的有效期为10～20年,所以要定期重新涂刷。镀锌压型钢板本身具有一定的防腐能力,在用于楼盖时可借助于防火涂料解决防腐问题,但用于屋面和外墙面时还要涂以有机涂料,增加其耐久年限。

(一)防火涂料法

防火涂料又称阻燃涂料,是指涂装在物体表面,防止火灾发生、阻止火势蔓延传播或隔离火源,延长基材着火时间或增加绝热性能以推迟结构破坏时间的一类涂料。它不仅具有普通涂料的装饰性,而且具有防腐、防锈、耐酸碱、盐雾等性能。目前,我国钢结构防火涂料主要分为厚涂型和薄涂型两类,即厚型(H类)和薄型(B类,包括超薄型)。

1.厚涂型钢结构防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料在火灾中利用材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性,延缓钢材的温升,保护钢材。这类防火涂料是用合适的粘结剂,再配以无机轻质材料、增强材料组成,具有成本较低的优点。施工常采用喷涂,一般用在耐火极限≥2h的钢结构防火保护中。高层民用建筑的柱、一般工业与民用建筑中的支承多层的柱的耐火极限均应达到2.5h以上,需采用该厚型防火涂料保护。

2.薄涂型钢结构防火涂料。薄涂型钢结构防火涂料受火时能膨胀发泡,以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的温升,保护钢构件。这类钢结构防火涂料一般是用合适的乳液聚合物作基料,再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这类防火涂料,要求选用的乳液聚合物必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性。其装饰性优于厚涂型防火涂料,一般耐火极限在2h左右。因此常用在≤2h耐火极限的钢结构防火保护工程中,常采用喷涂施工。可对高层民用建筑中的梁,一般工业与民用建筑中支承单层的柱、梁、楼板以及屋顶承重构件中的钢结构进行防火保护。另外,还有一类超薄型钢结构防火涂料,该类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层,该防火层延缓了钢材的温升,提高了钢构件的耐火极限。

(二)发泡防火漆法

防火漆是由成膜剂、阻燃剂、发泡剂等多种材料制造而成的一种阻燃涂料。防火漆与一般油漆相比,在物理性能方面基本一样,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃烧,遇火时,能推迟火焰延烧到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。据试验:将一般油漆与防火漆分别涂在木板上,干燥后,用同样的火焰烘烤,涂一般油漆的木板,不到2分钟就和油漆一道焦灼;而涂非膨胀惰气型防火漆的木板,2分钟后仅出现阴燃现象,静置30秒后立即熄灭;涂膨胀惰气型防火漆的木板,即使烘烤15分钟,连阴燃现象也未出现。由此可见,用防火漆涂于物体表面,可以一定程度的阻止火势蔓延,保护物体表面,从而为灭火战斗争取宝贵的时间。

1.防火漆施工工艺。(1)将钢结构表面除锈后,刷涂一层铁红或红丹底漆,底层完全干燥后方可进行下一工序。(2)使用前将涂料搅拌均匀,基材表面清除干净,无油污、无尘土。(3)采用刷涂或喷涂,涂膜均匀,若涂料过稠可用专用稀料稀释。间隔6小时后刷第二遍,湿涂覆量≥500g/平方米。(4)涂料未用完,须将桶盖重新封严。

2.防火漆施工注意事项。(1)涂料所用溶剂为挥发性易燃物,施工时注意通风,严禁火种并采取必要的消防措施;(2)涂料未实干前,禁止与水接触。

(三)外包防火层法

外包防火层法就是在钢结构外表添加外包层,可以现浇成型,也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层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。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂浆以形成保护层,砂浆可以是石灰水泥或是石膏砂浆,也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板,采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。

(四)内充水(水套)法

空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度,水在钢结构内循环,吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环,或由管道引入凉水来取代受热的水。

(五)屏蔽法

钢构件设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内,或将构件包藏在两片墙之间的空隙里,只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的防火方法。

四、结束语

今后,随着农业、工业、国防和科学技术现代化的进程和钢产量的不断提高,大跨度钢架结构的应用会有很大发展。针对钢结构建筑消防安全方面存在的耐火等级先天较低的情况,应鼓励摸索研究钢结构防火保护新措施,研究耐火性能好、时效长、粘结力高的钢结构防火材料以及金属、非金属钢结构复合防火材料,积极应用建筑耐火钢,进一步提高钢结构建筑的耐火性能。

参考文献:

[1]王学谦、刘万臣《建筑发火安全手册》.1998;

[2]童兴.高层及超高层钢结构防火问题浅谈[期刊论文].消防技术与产品信息.2001;

[3]方强.钢结构防火设计和保护[期刊论文]-消防技术与产品信息.2002;

[4]施丽彦.钢结构防火[期刊论文]-消防技术与产品信息.2002。