建筑物钢结构的防火保护

摘要：本文从火灾对建筑物钢结构的影响出发，对钢结构的防火保护方法进行了归纳和分析，为建筑物钢结构的防火保护提供必要的依据。

关键词：钢结构 火灾 防火保护

1、引言

近年来建筑物应用钢结构的发展，耐火性能差作为钢结构建筑的重要缺陷越来越突出。若没有很好的保护，若没有很好的保护，钢结构很有可能发生严重的破坏，甚至倒塌，造成严重的灾难性后果。这也严重影响了钢结构建筑的发展。

2、建筑物发生火灾时对钢结构的影响

高温下钢材的性能主要有两个方面：即物理性能和力学性能。温度的改变，对钢材的性能指标影响很大，因此，其指标的选取，对结构火灾后的性能分析起关键作用。

2.1火灾对钢材物理性能的影响

热物理性能主要有热膨胀系数、比热容、导热系数和密度等：

（1）热膨胀系数：钢材的热膨胀系数随温度的改变而发生小幅变化。据大量的实验研究，钢材在O~700℃时，钢材的热膨胀系数与温度成正比，当温度到达800℃时，钢材反而会出现缩短现象，当温度超过900℃时，构件又开始伸长，热膨胀系数变大；（2）比热容：钢材的比热容随温度的升高而增大，在20~600℃时，钢材的比热容基本恒定在600J/(Kg・℃)左右，当温度上升至700℃时，由于钢材的金相结构发生了变换，其比热容瞬间冲至峰值5000 J/(Kg・℃)，温度上升至 1000℃时，其比热容将为恒定的65O J/(Kg・℃)；（3）导热系数：钢材的导热系数随温度的升高而降低，升高至800℃时，导热系数趋于常数；（4）密度：钢材的密度随温度的升高而降低，但幅度不大，一般为7850kg/m3。

2.2火灾对钢材力学性能的影响

力学性能主要有泊松比、屈服强度、弹性模量、应力―应变本构关系及蠕变等。泊松比是指钢材在单向受拉或受压时，横向正应变与纵向正应变之比的绝对值，也称横向变形系数。温度对钢材的泊松比影响较小，常取0.3。钢材的力学性能随温度的升高而发生急剧变化。其造成原因错综复杂，一般通过试验才能得到较为可靠的数据。目前，国内外各标准在试验的基础上，规定了各自的高温材性模型，如CEN模型、ECCS模型、BSI模型等。

2.3火灾后钢结构的失效

钢结构发生火灾后，在起火房间内部的梁、柱在高温作用下首先发生破坏，随着温度的升高，钢构件的承载力大幅下降，导致结构的内部发生了内力重分布，当其承载力下降至难以承受荷载或降至各种荷载产生的组合效应时，则其结构己达到极限状态，最终使其失效。

通常火灾中无保护钢结构建筑在一定负载的情况下，失去静态平衡稳定性的临界温度为600℃左右，当温度达到300至400℃时，其强度就会迅速下降，但这时尚未失去承载力；当温度升至600℃左右，其钢材的力学性能诸如屈服点、抗压强度、弹性模量等都将快速下降，无法达到钢结构建筑所要求的承载许用应力。

3、对钢结构进行防火保护的对策

为了减少火灾后由于钢结构承载力下降所造成的财务损失甚至人员伤亡，因此进行防火设计是钢结构的结构和构造设计过程中十分重要的一个环节。钢结构进行防火保护可采取如下几个措施：

3.1混凝土防护

常用的传统钢结构防火保护措施是用普通水泥混凝土将钢结构包裹起来，即钢筋混凝土结构。当混凝土外层厚度达50mm时，耐火极限可达3h左右。即便结构的保护层采用200#混凝土，且其厚度达到1OOmm时，结构的耐火极限也能够达到2.85h。还可以采用金属网外包砂泵、陶粒混凝土或加气混凝土，对钢结构进行防护，其中金属网主要起到骨架增强限制收缩裂缝的作用。金属网抹50#砂浆保护，厚度为8mm，耐火极限达到0.8h。厚度为4Omm的金属网加气混凝土作保护层，耐火极限为1.0h，当厚度为80mm时，耐火极限能够达到2.33h。厚度为80mm的金属网加陶粒混凝土作保护层，耐火极限能够达到3.0h。

3.2防火板保护

防火板保护具有施工方便、成本低、干法施工和耐久、施工质量易控制等优点，在建筑工程中应用十分广泛，主要用于耐火等级为一、二级的建筑物的钢柱、梁、楼板和屋顶承重构件以及设备的承重钢框架、支架、裙座等钢构件。常见的防火保护板材主要有蛙石板、蛙石板、石膏板、珍珠岩板、石棉水泥板、蛙石混凝土板及预制混凝土定型套管。其中蛙石板的最高使用温度为850℃，石膏板的最高使用温度600℃，纤维增强普通硅酸钙板的使用温度为650~950℃，蛙石板和珍珠岩板容重小，使用最高温度为650~850℃。目前新型的硅酸钙防火板，具有重量轻、强度高、隔热性好、耐高温、耐候性好等特点，最高使用温度可达到1100℃水平，耐火极限可延长到4h。

3.3防火涂料保护

钢结构防火涂料无须复杂的工具即可施工，重量轻、造价底，几乎不受构件的几何形状和部位的限制。钢结构防火涂料主要有薄涂型和厚涂型两类。

薄型防火涂料厚度在7mm以下，火灾时能吸热膨胀发泡，形成泡沫状炭化隔热层，其体积可膨胀50倍甚至200倍，所形成的保护层能有效阻止热量传导，从而延缓钢结构温升。薄型防火涂料在耐火极限不超过2h的情况下涂层厚度不应低于5mm；而耐火极限不超过1.5h的涂层厚度则不应该低于4mm。还有一类超薄型的钢结构防火涂料，遇火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层，能够延缓钢结构的温升，提高钢结构的耐火强度和时间。超薄型防火涂料耐火极限最高不宜超过1.5h，其涂层厚度不得低于3mm，耐火极限为lh的涂层厚度则不低于2mm。

耐火极限在2.5h以上时应选用厚型防火涂料，其厚度一般为8~50mm，涂层受热不会发泡膨胀，但能依靠低导热率来延缓钢结构温升。厚型防火涂料有干法和湿法。前者主要成分是矿物棉、隔热填料、粘结材料，在现场采用干法喷涂施工，能够获得密度较小的涂层，从而能减轻整个钢结构的质量，降低建筑物负荷；后者是用合适的粘结剂，配以无机隔热材料、增强材料组成，特点是在其结构保持完整的条件下，防火性能一般不随时间的推移而降低。

3.4柔性卷材外包

柔性卷材主要是以硅酸铝、陶瓷棉毯等隔热保温材料以卷材的形式直接对需要保护的钢结构进行包裹，以起到隔热防护作用。纤维增强复合材料热容高、烧透时间长，具有良好的隔热性能，也是一种较好的耐火包敷材料。不过上述技术在我国应用并不广泛。

3.5水冷却

发生火灾后，及时向钢结构构件内部充入大量循环水对钢结构进行降温冷却，以达到保护钢结构的目的。这种方法效果良好，但成本较高，也会导致火灾时增加钢结构自重，所以应用实例并不多。

3.6防火漆

防火漆是由树脂、阻燃剂、发泡剂、成炭剂、催化剂颜料等组成的膨胀型钢结构阻燃漆，干燥以后，漆膜本身轻易不会燃烧，遇火时，有助于推迟火焰延烧到涂漆的钢结构上。随着技术发展，目前水性防火漆得到了应用，其特点是具有较高的粘结强度，较长时分的耐火极限，涂层的不变性好，发生火灾时，能使钢结构完好性连结时分长，利于消防和减轻灾情，延长修复。

3.7耐火钢

耐火钢内部含有稀有金属，与碳元素形成了一种细小的化合结构，正是这种结构使耐火钢的强度、硬度等力学性质相比普通钢有极大的提高。耐火钢在650℃时的屈服强度为常温下强度的50%，而普通钢在550℃时其屈服强度就已降为常温下强度的50%，同时，在600℃的高温下，耐火钢的蠕变也比普通钢的蠕变小。耐火钢可缩短建造周期，减轻建筑物重量，但常温下耐火钢的各种性能均与普通焊接结构钢相同。相比耐火钢在国外己得到广泛应用，但国内耐火钢的发展和应用还十分有限。

结语

钢结构在火灾燃烧的过程中的机理是非常复杂的，目前来看钢结构的抗火性能研究还不很成熟，而对于建筑物防火设计来说，也不能只限于钢框架，更应该对结构整体进行全面的考虑和分析。

参考文献：

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