浅谈钢结构的耐火保护

我国虽然早期在铁结构方面有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束缚，科学不发达，因此，长期停留于铁制建筑物的水平。直到19世纪末，我国才开始采用现代化钢结构。新中国成立后，钢结构的应用有了很大的发展，不论在数量上或质量上都远远超过了过去。在设计、制造和安装等技术方面都达到了较高的水平，掌握了各种复杂建筑物的设计和施工技术，在全国各地已经建造了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等，我国的人民大会堂钢屋架，北京和上海等地的体育馆的钢网架，陕西秦始皇兵马佣陈列馆的三铰钢拱架等。　　1. 钢结构的优点　　1.1钢结构的重量轻，虽然钢的比重大，但因其机械性能很好，可以承受较大的荷载，故钢结构件截面尺寸小，同样跨度同样荷载时，钢屋架的重量最多不过钢筋混凝土屋架的1/4或1/3，钢结构的重量小，便于运输。　　1.2. 材质均匀，与力学计算的假定比较符合，钢材内部组织比较均匀，按近于各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况与建筑力学计算的结果比较符合。　　1.3. 钢结构制造、安装机械化程度高。钢结构具有某种段度的技术密集型性质，钢结构所用的材料单一，而且是成品，加工简便，机械化程度高，建造迅速，容易保证质量，适宜于成批大量生产，从构件的工厂加工到现场吊装，工业化程度大大高于具有劳动密集性质的现浇钢筋混凝土结构。　　1.4. 钢结构安装施工简便。纲结构由专业化金属构件厂生产构件（梁、屋架、柱等），在工地上用电焊或螺栓（或高强螺栓）连接起来，施工安装简便迅速， 提高施工速度，已成为降低工程造价的最主要因素，结构造价问题已降到次要的地位。而且，螺栓连接的钢结构便于改造拆迁。　　1.5. 钢结构在平面布局上的灵活性，则是另一重要特点。在信息时代的今天，对室内平面，空间和内部设施的要求更加严格了。原先的布局和设备，不久就可能变成不太适用或完全不适用，钢结构却可为平面重新布局提供更大的可能性，从而延长建筑物的使用寿命。　　钢结构虽然有这么多优点，但却有一个致命的缺点：不耐火。钢材虽然是不燃材料，但在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等却会随温度升高而降低，在550℃左右时，降低幅度更为明显，一般在15分钟左右就会丧失承重能力而垮塌。国内外钢结构建筑物的火灾案例都证明，发生火灾后20分钟以内就把建筑物烧垮，最后形成一片废墟。1973年5月天津市体育馆火灾，1969年12月上海文化广场火灾，1972年8月北京二七机车车辆厂纤维板车间火灾，都曝露了钢结构耐火性能差的致命弱点。　　2. 钢结构的耐火保护方法　　由于钢结构耐火能差，在火灾高温作用下很快失效倒塌，耐火极限仅15分钟，若采取措施，对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，钢结构在火灾中就能保持稳定性，对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为两种：截流法和疏导法。　　2.1. 截流法　　截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其作法是构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。　　2.1.1. 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粘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，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0.5～1.5小时，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0.5～3.0小时，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三个：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。　　薄涂型钢结构防火涂料的主要品种有：LB、SG—1、SB—2、SS—1钢结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料主要品种有：LG钢结构防火隔热涂料、STI—A、JG276、ST—86、SB—1、SG—2钢结构防火涂料等。　　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，当遇有下列情况之一时，涂层内应设置与钢结构相连的钢丝网，以确保涂层牢固。　　——承受冲去振动的梁　　——设计层厚度大于40mm寸　　——粘贴强度小于0.05MPa的涂料　　——腹板高度大于1.5m的梁　　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。　　2.1.2. 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，其具体做法有：　　2.1.2.1. 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，进一步提高其耐火的性能。　　2.1.2.2. 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。上术材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。　　2.1.2.3. 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，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。　　2.1.2.4. 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，板间连接可采用钉合及粘合。这种构造方式施工简便而工期较短，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。　　2.1.3. 屏蔽法　　屏蔽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、钢屋架下作耐火吊顶，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观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。　　2.1.4. 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。　　由上述可知，这些方法的共同特点是设法减小传到构件的热流量，因而称之为截流法。　　2.2. 疏导法　　与截流法不同，疏导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。　　疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。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。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。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。　　冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。蒸气由排气口排出。当柱高度过大时，可分为几个循环系统，以防止柱底水压过大，为防止锈蚀或水的冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。　　水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水的蒸发耗热，后者既能蒸发散热，还能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低的柱。