鋼結構防火保護措施
發表(biao)日期:2019-10-11
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鋼(gang)材(cai)具(ju)有的強度高(gao)、延性好(hao)(hao)優點決定(ding)了鋼(gang)結(jie)構(gou)則具(ju)備自重輕、抗震性能好(hao)(hao)、承載能力大(da)的特性,同(tong)時鋼(gang)結(jie)構(gou)可場(chang)內加工(gong),施工(gong)周期(qi)短,同(tong)時材(cai)料又(you)是可回收利用(yong)。因此(ci),不管(guan)在國內還(huan)是國外鋼(gang)結(jie)構(gou)建筑都得到(dao)了廣(guang)泛(fan)的運用(yong)。
但鋼結(jie)構有一個致命弱點:抗火(huo)性(xing)能差(cha)。為了使(shi)鋼結(jie)構在(zai)(zai)火(huo)災中較(jiao)常時(shi)間地保(bao)持強度(du)和(he)(he)剛(gang)度(du),保(bao)障人們的(de)生命和(he)(he)財產安全,在(zai)(zai)實際工程中采(cai)用(yong)了多種防(fang)火(huo)保(bao)護措施(shi)(shi)。根據防(fang)火(huo)原理不同,防(fang)火(huo)措施(shi)(shi)分阻(zu)熱法(fa)(fa)和(he)(he)水(shui)冷(leng)卻(que)法(fa)(fa)。阻(zu)熱法(fa)(fa)又可(ke)分為噴(pen)涂法(fa)(fa)和(he)(he)包封法(fa)(fa)(空心(xin)包封法(fa)(fa)和(he)(he)實心(xin)包封法(fa)(fa))。水(shui)冷(leng)卻(que)法(fa)(fa)有水(shui)淋冷(leng)卻(que)法(fa)(fa)和(he)(he)沖水(shui)冷(leng)卻(que)法(fa)(fa)。本(ben)文將(jiang)具體介紹各種防(fang)火(huo)措施(shi)(shi),并比較(jiao)其優缺點。
1、鋼結(jie)構的耐火極限與耐火性(xing)能
鋼結構(gou)的(de)(de)耐火極限是指構(gou)件在標準耐火試驗中,從(cong)受到(dao)(dao)火的(de)(de)作用時起到(dao)(dao)失去穩定性或完整性、絕熱(re)性止(zhi)這段抵抗(kang)火作用的(de)(de)時間(jian)。
鋼(gang)(gang)材(cai)本身(shen)雖然不(bu)會起火(huo)(huo)燃燒,但鋼(gang)(gang)材(cai)的(de)材(cai)性(xing)受(shou)溫(wen)度(du)(du)影響很(hen)大,但在250℃鋼(gang)(gang)材(cai)的(de)沖(chong)擊(ji)韌性(xing)下(xia)降,超過300℃,屈服點(dian)與極(ji)限強度(du)(du)顯(xian)著下(xia)降。實際火(huo)(huo)災下(xia),荷載情況不(bu)變(bian), 鋼(gang)(gang)結(jie)構(gou)(gou)失去靜態(tai)平衡穩定性(xing)的(de)臨(lin)界溫(wen)度(du)(du)為500℃左右(you),而一般(ban)火(huo)(huo)場溫(wen)度(du)(du)達到800~1000℃。因此,火(huo)(huo)災高溫(wen)下(xia)鋼(gang)(gang)結(jie)構(gou)(gou)很(hen)快地會出現塑性(xing)變(bian)形,產(chan)生局部破壞, 最(zui)終造(zao)成(cheng)鋼(gang)(gang)結(jie)構(gou)(gou)整(zheng)體(ti)倒塌失效。
鋼(gang)結構建筑必須采取防(fang)火措(cuo)施(shi),以使得建筑具有(you)足(zu)夠(gou)的耐火極(ji)限。防(fang)止鋼(gang)結構在火災中迅速升溫(wen)到臨界溫(wen)度(du), 防止產生過大變形以(yi)至建筑物(wu)倒塌(ta),從(cong)而為滅(mie)火和人員(yuan)安(an)全疏(shu)散贏(ying)得寶貴時間(jian),避免(mian)或減少火災帶來(lai)的損失。
2、鋼結構防火保護(hu)措施(shi)
鋼結構(gou)防(fang)火(huo)保護措施按(an)原理分(fen)為兩類:一是(shi)阻熱法(fa),二(er)是(shi)水冷(leng)(leng)卻(que)法(fa)。這些措施的(de)目(mu)的(de)是(shi)一致的(de):使構(gou)件(jian)在規(gui)定(ding)的(de)時間, 溫(wen)度(du)升高不超(chao)過其臨界溫(wen)度(du)。不同的(de)是(shi)阻熱法(fa)是(shi)阻止熱量(liang)向構(gou)件(jian)傳輸來, 而水冷(leng)(leng)卻(que)法(fa)允許熱量(liang)傳到構(gou)件(jian)上(shang), 再(zai)把熱量(liang)導(dao)走以實(shi)現(xian)目(mu)的(de)。
2.1 阻熱法
阻熱(re)法(fa)(fa)(fa)根據防火涂(tu)料阻熱(re)和(he)包(bao)封材料阻熱(re),分為噴(pen)涂(tu)法(fa)(fa)(fa)和(he)包(bao)封法(fa)(fa)(fa)。噴(pen)涂(tu)法(fa)(fa)(fa)通過涂(tu)覆或噴(pen)灑(sa)防火涂(tu)料把(ba)構建保(bao)護起來。包(bao)封法(fa)(fa)(fa)又(you)可分為空(kong)心包(bao)封法(fa)(fa)(fa)和(he)實心包(bao)封法(fa)(fa)(fa)。
2.1.1 噴涂法
一般采用防(fang)火(huo)(huo)涂料(liao)(liao)涂覆或(huo)噴灑于(yu)鋼(gang)(gang)材表面,形成耐(nai)火(huo)(huo)隔熱(re)保護(hu)層,提高鋼(gang)(gang)結(jie)構的(de)耐(nai)火(huo)(huo)極限。這種方法施工簡(jian)便、重量輕、耐(nai)火(huo)(huo)時(shi)間較長,而且(qie)不(bu)受鋼(gang)(gang)構件幾何形狀限制。具(ju)有較好的(de)經濟性和實用性,應用廣泛。鋼(gang)(gang)結(jie)構防(fang)火(huo)(huo)涂料(liao)(liao)的(de)品(pin)種較多,大體分為兩類:一類是(shi)薄涂型(xing)防(fang)火(huo)(huo)涂料(liao)(liao)( B 類) , 亦即鋼(gang)(gang)結(jie)構膨脹(zhang)防(fang)火(huo)(huo)料(liao)(liao); 另一類是(shi)厚涂型(xing)涂料(liao)(liao)(H) 類。
B類防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料,涂(tu)(tu)(tu)層厚(hou)(hou)(hou)度(du)一(yi)般為(wei)2-7mm。基料為(wei)有機(ji)樹脂,有一(yi)定裝飾效(xiao)果,高(gao)溫時(shi)膨脹(zhang)增厚(hou)(hou)(hou)。耐(nai)火(huo)(huo)(huo)極(ji)限(xian)可(ke)(ke)(ke)達(da)0.5~1.5h。薄涂(tu)(tu)(tu)型(xing)鋼結(jie)(jie)構(gou)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料涂(tu)(tu)(tu)層薄、重量輕、抗振(zhen)性好。室內裸露鋼結(jie)(jie)構(gou)、輕型(xing)屋蓋鋼結(jie)(jie)構(gou),當規定其耐(nai)火(huo)(huo)(huo)極(ji)限(xian)在1.5h及以下時(shi),宜選(xuan)用薄涂(tu)(tu)(tu)型(xing)鋼結(jie)(jie)構(gou)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料。H類防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料涂(tu)(tu)(tu)層厚(hou)(hou)(hou)度(du)一(yi)般為(wei)8~50mm。呈粒狀面。主要成分(fen)為(wei)無機(ji)絕熱材料,密度(du)較小熱導率低。耐(nai)火(huo)(huo)(huo)極(ji)限(xian)可(ke)(ke)(ke)達(da)0.5~3.0h。厚(hou)(hou)(hou)涂(tu)(tu)(tu)型(xing)鋼結(jie)(jie)構(gou)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料一(yi)般不燃、耐(nai)老化、耐(nai)久(jiu)性較可(ke)(ke)(ke)靠。室內隱蔽鋼結(jie)(jie)構(gou)、高(gao)層全(quan)鋼結(jie)(jie)構(gou)及多層廠房鋼結(jie)(jie)構(gou),當規定其耐(nai)火(huo)(huo)(huo)極(ji)限(xian)在1.5h以上時(shi),應選(xuan)用厚(hou)(hou)(hou)涂(tu)(tu)(tu)型(xing)鋼結(jie)(jie)構(gou)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)料。
2.1.2包封法
1) 空心包(bao)封法(fa):一(yi)般(ban)采用(yong)防火板或耐火磚,沿(yan)鋼構件(jian)(jian)的(de)(de)(de)外圍邊界,將鋼構 件(jian)(jian)包(bao)裹起來。國內石化工業鋼結構廠房(fang)大(da)多采用(yong)砌筑耐火磚包(bao)裹鋼構件(jian)(jian)的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)對鋼結構加以保護(hu)。該(gai)方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)優點是強度高、耐沖擊,但缺點是占(zhan)用(yong)的(de)(de)(de)空間較(jiao)大(da)、施(shi)工較麻煩。采(cai)用耐火輕質板材如(ru)纖維增強水泥板、石膏板、蛭石板等作防火外包(bao)層。對大型鋼構件(jian)進行箱式包(bao)裹(guo)的方(fang)法(fa)具有(you)裝修面平(ping)整光滑、成本低、損耗小、無環境污染(ran)、耐老化等優點,推廣前景良好。
2) 實心包(bao)封法(fa):一般(ban)通(tong)過澆筑混凝土,將鋼(gang)構件包(bao)裹起來,完(wan)全封閉鋼(gang)構 件。如上(shang)海浦東(dong)世界金融(rong)大廈的鋼(gang)柱就采(cai)用(yong)該方法(fa)。其優點是強度高、耐沖擊,但缺點是混凝土保護(hu)層占用(yong)的空間大、施工(gong)比較麻(ma)煩,特別(bie)是在鋼(gang)梁和(he)斜撐上(shang)施工(gong)十分(fen)困難。
2.2 水冷卻法
水冷卻法(fa)(fa)包括水淋冷卻法(fa)(fa)和充水冷卻法(fa)(fa)。
2.2.1 水淋冷卻法
水(shui)淋(lin)冷卻法(fa)是(shi)在鋼(gang)結(jie)構(gou)上(shang)部布置自(zi)動(dong)或手動(dong)噴淋(lin)系統(tong)。發生火(huo)災時,啟動(dong)噴淋(lin)系統(tong),在鋼(gang)結(jie)構(gou)表面(mian)形成一層連續(xu)的水(shui)膜,火(huo)焰蔓延(yan)到鋼(gang)結(jie)構(gou)表面(mian)時,水(shui)分蒸發帶走熱量(liang),延(yan)緩鋼(gang)結(jie)構(gou)建筑達到其界限溫度(du)。水(shui)淋(lin)冷卻法(fa)在同(tong)濟大(da)學土木工程學院大(da)樓(lou)得到使用。
2.2.2 充水冷卻法
充水(shui)(shui)冷卻法是(shi)在空心鋼(gang)構(gou)件內充水(shui)(shui)。通過(guo)水(shui)(shui)在鋼(gang)結構(gou)內的(de)循環,吸收鋼(gang)材本(ben)身受熱的(de)熱量。從而(er)使鋼(gang)結構(gou)在火災(zai)中能保持(chi)較低的(de)溫度(du),不會因(yin)升溫過(guo)高(gao)而(er)喪失承載能力。為防止銹(xiu)蝕(shi)和(he)結冰, 水(shui)(shui)中要加阻銹(xiu)劑(ji)和(he)防凍劑(ji)。美國匹茲堡64層(ceng)的(de)美國鋼(gang)鐵公(gong)司大廈的(de)鋼(gang)柱就采用(yong)了(le)充水(shui)(shui)冷卻法。
阻熱(re)法通過阻熱(re)材料可以(yi)減慢熱(re)量(liang)向結構構件傳導的(de)速度。總體來說,隔熱(re)法經濟(ji)性和實用性較好,在實際工程運(yun)用相當廣泛。水冷卻(que)法是抵御火災(zai)的(de)一種(zhong)(zhong)有效的(de)防護(hu)措施,但(dan)由(you)于(yu)這種(zhong)(zhong)方法對結構設計有專門(men)要(yao)求,同時其成(cheng)本(ben)較高,故目前在工程領域還(huan)未(wei)得到很好的推廣。
阻(zu)熱(re)法(fa)(fa)在鋼結構防火保(bao)護中廣泛使用(yong),所(suo)以下面重點比較阻(zu)熱(re)法(fa)(fa)措施中噴涂法(fa)(fa)與包封法(fa)(fa)的優缺(que)點。
3.1 耐火性
這耐火(huo)性(xing)能上,包封法(fa)優于噴涂(tu)法(fa)。混凝土(tu)、耐火(huo)磚等(deng)包封材(cai)料(liao)(liao)耐火(huo)性(xing)比一般的防(fang)(fang)火(huo)涂(tu)料(liao)(liao)好。另外,新型(xing)防(fang)(fang)火(huo)板的耐火(huo)性(xing)能也優于防(fang)(fang)火(huo)涂(tu)料(liao)(liao)。其耐火(huo)極限明顯(xian)高于同(tong)厚度的鋼結構防(fang)(fang)火(huo)隔(ge)熱材(cai)料(liao)(liao), 更高于膨脹(zhang)型(xing)防(fang)(fang)火(huo)涂(tu)料(liao)(liao)。
3.2耐久性
由于(yu)包封材料如混凝土(tu)耐(nai)久性(xing)比較好(hao),不(bu)易隨(sui)時間推移發生性(xing)能劣化;而(er)耐(nai)久性(xing)一直(zhi)是鋼結(jie)構防火(huo)涂料未能解決好(hao)的問題。以有機組(zu)分為主(zhu)的薄型(xing)和超薄型(xing)防火(huo)涂料無論是用于(yu)室外還是室內, 其有機組(zu)分都(dou)可(ke)能產(chan)生分解、降解、老化等問題, 從而(er)使涂層(ceng)剝落粉化或失去防火(huo)性(xing)能。
3.3施工性
鋼結構防(fang)火的噴涂(tu)法施(shi)工(gong)簡便,無須復雜(za)的工(gong)具(ju)即可(ke)(ke)施(shi)工(gong)。但噴涂(tu)法防(fang)火涂(tu)料(liao)施(shi)工(gong)質(zhi)量可(ke)(ke)控性(xing)差,對基材的除銹、防(fang)火涂(tu)料(liao)的涂(tu)層厚(hou)度以(yi)及(ji)施(shi)工(gong)環境濕度等不易控制;包(bao)封法施(shi)工(gong)比較復雜(za),對于(yu)斜(xie)撐、鋼梁尤為明顯,不過(guo)施(shi)工(gong)可(ke)(ke)控性(xing)較強強,質(zhi)量容易保證。可(ke)(ke)以(yi)較為準確地改變包(bao)封材料(liao)的厚(hou)度來控制耐火極限。
3.4 環保性
噴涂法在(zai)施工(gong)(gong)時污染(ran)環境(jing), 特別是在(zai)高溫作(zuo)用下能揮發出(chu)有(you)害氣體(ti)。包封法在(zai)施工(gong)(gong)、正常使用環境(jing)和火災高溫下均無有(you)毒釋放物, 有(you)利于環境(jing)保護和火災時的人員安全。
3.5 經濟性
噴涂法施工簡單、工期短,施工費用低。但防火涂料價格高,而且由于涂料存在老化(hua)等(deng)缺點(dian),其維(wei)護費(fei)用(yong)(yong)較(jiao)高。包封法(fa)施工費(fei)用(yong)(yong)高, 但所用(yong)(yong)材料(liao)價格便宜(yi), 且維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)(yong)低。綜合來講(jiang),包封法(fa)經濟效性較(jiao)好。
3.6 適用性
噴涂法不受構(gou)(gou)件(jian)的幾何限(xian)制, 多用于梁、柱、樓板、屋蓋等各構(gou)(gou)件(jian)的保護。特別適(shi)用于輕鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)、網架結(jie)構(gou)(gou)和異形鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)等空間結(jie)構(gou)(gou)體系(xi)鋼(gang)結(jie)構(gou)(gou)防(fang)火保護中。包封法施工(gong)復雜(za),特別是(shi)鋼(gang)梁、斜撐等構(gou)(gou)件(jian),包封法一般(ban)較多用于柱子(zi),適(shi)用范(fan)圍沒噴涂法廣(guang)泛(fan)。
3.7 占用空間
噴涂(tu)法所使用的防(fang)火涂(tu)料體積較小,而包封(feng)法使用的包封(feng)材料如混凝(ning)土(tu)、防(fang)火磚,會(hui)占用空間(jian),減小使用空間(jian)。而且包封(feng)材料質(zhi)量(liang)也較大(da)。
通過論述可以得到以下結論:
1)鋼結(jie)構防火保護措施的(de)(de)采(cai)用要考慮多方面因素的(de)(de)影響,如構件類型、施工難易度、施工質量要求、耐久性要求和經濟效益等;
2)通過對噴(pen)涂(tu)法與包封法的比較(jiao),噴(pen)涂(tu)法主(zhu)要(yao)優勢在施工(gong)工(gong)藝簡便,噴(pen)涂(tu)后構件外形不發生大的改(gai)變(bian)。包封法主(zhu)要(yao)優勢在于成本較(jiao)低(di),防火性(xing)能與耐久性(xing)好;
3)各(ge)種(zhong)防(fang)火(huo)措施(shi)(shi)有(you)各(ge)自的優勢和不(bu)足,在工程運用中(zhong),可(ke)取長(chang)補短(duan),多(duo)種(zhong)防(fang)火(huo)措施(shi)(shi)結合使用。并(bing)可(ke)以通過采取不(bu)同(tong)措施(shi)(shi),設置多(duo)道(dao)防(fang)火(huo)防(fang)線