大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)特點(diǎn)及防治對(duì)策

1、大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)特點(diǎn)及防治對(duì)策 近年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展也致使各類建筑業(yè)的得到了空前的繁榮，一些大跨度、超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生。建筑物中運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)種類越來(lái)越多，廠房、住宅、橋梁、倉(cāng)庫(kù)、體育館、展覽館、超市等建筑也越來(lái)越廣泛運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)材料。鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕，強(qiáng)度高，施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采納鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，在我國(guó)取得了不少成就。第一，鋼結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量不斷增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，如：2008年奧運(yùn)主體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢，世界第三高度420米的上海金茂大廈，具有國(guó)際領(lǐng)先水平的深圳賽格大廈72層、高度291米全部采

2、納鋼管混凝土柱，采納國(guó)產(chǎn)鋼材、國(guó)內(nèi)制定、施工的大連世貿(mào)中心，跨度216米的公路鐵路兩用低塔斜拉橋的蕪湖長(zhǎng)江大橋，上海寶鋼大型軋鋼廠房，咸陽(yáng)市也建成了西北地區(qū)首座鋼結(jié)構(gòu)商住樓麗彩廣場(chǎng)C座，三十二層，建筑高度98米，成為現(xiàn)代咸陽(yáng)的標(biāo)志性建筑。第二，鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷改善。由于以前鋼材使用受限制，建筑采納傳統(tǒng)的模式，而現(xiàn)在出現(xiàn)了鋼管、圓管、鋼構(gòu)混凝土等，要求結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)也隨之變化，管管相接。材料上，有高強(qiáng)度的鋼，厚板鋼材，玻璃，不銹鋼，鈦合金。施工上也有新的工藝。鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)具有極大的發(fā)展空間，國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)建筑使用鋼材占鋼材總量的10%左右，而中國(guó)僅占4%左右，我國(guó)的人均鋼材占有量剛達(dá)到世界人均水平100千

3、克左右，日本人均鋼材占有量是400-500千克，有一定差距。現(xiàn)階段我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑只占建筑總量不夠3的比例，發(fā)達(dá)國(guó)家已占3050。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展具有較大的空間和潛力，伴隨著建筑市場(chǎng)的繼續(xù)發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展將得到進(jìn)一步的推動(dòng)。中國(guó)處于全面建設(shè)的高峰期，正大量消耗著全球的自然資源。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比，它環(huán)保且更利于建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑在現(xiàn)代建設(shè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)耐火性能低，如何提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能關(guān)于建筑的安全性至關(guān)重要。二、鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)特點(diǎn)在加熱的狀況下，鋼材的力學(xué)性能隨著溫度的升高而變化。一般表現(xiàn)為彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度隨溫度的升高而下降，塑性變形和蠕變隨溫度

4、的升高而增加。在200350時(shí)熱軋鋼出現(xiàn)所謂的“藍(lán)脆現(xiàn)象，此時(shí)鋼材的極限強(qiáng)度提升而塑性降低，與其他溫度段相比變“脆。在500時(shí)，鋼的極限強(qiáng)度和屈服極限大大降低，塑性增大。在450600時(shí)，碳化物趨于石墨化和球化。石墨化的產(chǎn)物是由于碳化鐵分解，生成游離的石墨粒的結(jié)果。如果加熱的溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，鋼的含碳量越高，則碳化物的球化便越劇烈。存在石墨化和球化，說(shuō)明鋼在高溫下弱化了，力學(xué)性能降低。合金材料的加入一般會(huì)使鋼的上述變化需要的溫度提升。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：在200以內(nèi)強(qiáng)度變化不顯然，屈服強(qiáng)度略有下降，而極限強(qiáng)度基本沒(méi)有變化。200以后屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低的速率開(kāi)始加快。極限強(qiáng)度在200300由于

5、出現(xiàn)“藍(lán)脆而較常溫下略有提升，300以后極限強(qiáng)度隨溫度升高顯然降低。在600時(shí)，低碳鋼的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均只有常溫時(shí)的35%40%，而碳素鋼絲的強(qiáng)度更低。隨著溫度進(jìn)一步升高，在800時(shí)鋼材的強(qiáng)度基本消失。同時(shí)鋼材的伸長(zhǎng)率和截面收縮率隨溫度升高面增大，說(shuō)明高溫下鋼材的塑性性能增大，易于變形。此外，鋼材在一定溫度和應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生緩慢變形，即蠕變，蠕變會(huì)導(dǎo)致材料松馳。鋼材在高溫下屈服點(diǎn)降低是決定鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的重要因素，如某一鋼構(gòu)件在常溫下受荷載作用應(yīng)用值是屈服點(diǎn)的一半，但火災(zāi)時(shí)由于鋼材在火災(zāi)高溫作用下屈服強(qiáng)度降低，當(dāng)實(shí)際應(yīng)力值達(dá)到了降低了的屈服強(qiáng)度時(shí)就表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象而破壞，使結(jié)構(gòu)

6、承載能力急劇下降，造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物部分或全部垮塌毀壞。這類典型的火災(zāi)案例有，2001年世貿(mào)大廈被撞擊后飛機(jī)攜帶大量的燃油向大廈底部流淌，火勢(shì)迅速向下蔓延，燃燒不久，灼熱的高溫就通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)迅速傳遍整幢大樓，致使大廈承重的鋼結(jié)構(gòu)熔化，撞機(jī)僅57分鐘南樓就徹底崩潰倒塌，而北樓也僅保持了1小時(shí)22分鐘，造成了死亡2797人、損失360億美元的驚世慘案。2003年4月5日，青島市即墨正大食品廠房發(fā)生火災(zāi)，在高溫作用下，鋼結(jié)構(gòu)屋架僅僅約30分鐘便轟然倒塌，導(dǎo)致20多名員工被埋壓在廠房?jī)?nèi)遇難。目前，在建筑領(lǐng)域已采用了多種方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各類防火措施也孕育而生。二、鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性能提升方法

7、建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施按照其防火行為來(lái)分主要分為主動(dòng)防火和被動(dòng)防火。主動(dòng)防火主要是指水噴淋法以及消防員的滅火行為，即主動(dòng)地控制建筑發(fā)生火災(zāi)的趨勢(shì)。被動(dòng)防火即不包括滅火行為采用其他形式提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限的一種防火保護(hù)方法。從熱量傳輸原理上來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施可以分為截流法和疏導(dǎo)法。1、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(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)(或手動(dòng))開(kāi)始噴水，在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到保護(hù)作用。 2、截流法。在構(gòu)件的表面設(shè)置一層保護(hù)材料，截?cái)嗷蜃铚馂?zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，使構(gòu)件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)溫升不超過(guò)其臨界溫度。由于選用的材料導(dǎo)熱系數(shù)小而熱容量大，可以很好地阻

8、滯熱流向構(gòu)件的傳輸，從而起到保護(hù)作用,包括噴涂法、屏蔽法和包封法等方法。1噴涂法。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。噴涂法是一種最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最有效的做法，其價(jià)格低、重量輕、施工速度快、適用于形狀復(fù)雜的鋼構(gòu)件，也是鋼結(jié)構(gòu)廠房中最常采納的防火處理方法之一。2屏蔽法。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(shí)可以使鋼梁、鋼屋架的升溫大為延緩，大大提升鋼結(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。3包封法。在鋼結(jié)構(gòu)表面做耐火保護(hù)層，將構(gòu)件包封起來(lái)，其具體做法有：用現(xiàn)澆混凝土作耐火保護(hù)層，用砂漿或灰膠泥

9、作耐火保護(hù)層，用礦物纖維作耐火保護(hù)層，用輕質(zhì)預(yù)制板作耐火保護(hù)層。3、疏導(dǎo)法。疏導(dǎo)法是先將熱量傳到構(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，水冷卻法是在空心鋼柱內(nèi)充滿水，高溫時(shí)，構(gòu)件把外界環(huán)境中汲取的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過(guò)循環(huán)把熱量導(dǎo)走，構(gòu)件的溫度可維持在100左右。如美國(guó)的堪薩斯州銀行大廈和匹茲堡鋼鐵公司大廈，采納的就是水冷卻進(jìn)行防火保護(hù)。冷卻方法關(guān)于鋼管柱的結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)是一種非常有效的防火方法。但為了防止鋼結(jié)構(gòu)生銹，須在水中放入專門的防繡外加劑，冬天還須加入防凍劑而且由于對(duì)結(jié)構(gòu)制定有專門的

10、要求，所以目前實(shí)際上已很少使用。三、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行防火處理，其目的就是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提升到制定規(guī)范規(guī)定的極限范圍，其措施是多種多樣的。其中，噴涂防火涂料施工方便、重量輕、成本低、不受構(gòu)件幾何形狀限制，應(yīng)用范圍最廣，效率最高。所以，噴涂防火涂料是一種比較常見(jiàn)也相對(duì)成熟的做法。目前在實(shí)際工程應(yīng)用中，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法絕大多數(shù)是采納噴涂防火涂料。1、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理是采納絕熱或吸熱的材料阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量向鋼材傳遞的速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)溫升和強(qiáng)度減弱的時(shí)間。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料(GB14907?2002)，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

11、定義為施涂于建筑物及構(gòu)筑的鋼結(jié)構(gòu)表面，能形成耐火隔熱保護(hù)層以提升鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的涂料。2、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分類及優(yōu)缺點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般可分為厚涂型、薄涂型和超薄型。目前，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料代表性的產(chǎn)品有：國(guó)內(nèi)的“SD22“TN2LG防火涂料，“SD21“LB防火涂料，“SCB、“SCA防火涂料。國(guó)外的產(chǎn)品如英國(guó)GraceConstructionProducts的“MonoketeFireproofingUK26，美國(guó)美商華人企業(yè)股份的“AD防火涂料，德國(guó)Herberts的“WaterBased38320防火涂料，38091型防火涂料，英國(guó)的“Nullifire防火涂料等等。1厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

12、是指涂層使用厚度在8毫米50毫米的涂料，這類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要由多孔絕熱材料如粉煤灰空心微珠、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石、石墨、礦物纖維等為骨料配以耐高溫粘結(jié)劑而制成。其防火原理就是由于涂層的導(dǎo)熱系數(shù)小，具有優(yōu)良的熱絕緣性，從而可在火災(zāi)中有效保護(hù)鋼材不受破壞。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限一般為0.5小時(shí)3小時(shí)。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)點(diǎn)：耐火極限高，可達(dá)3小時(shí)；主要組分為無(wú)機(jī)材料，耐火性能受環(huán)境影響小；原材料來(lái)源廣，價(jià)格低；遇火時(shí)不會(huì)放出有毒有害氣體。缺點(diǎn)是涂層厚、自重大，粘結(jié)力差，易剝落；表面粗糙，裝飾性差；施工麻煩，水泥基涂料需養(yǎng)護(hù)。2薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層使用厚度在3毫米7毫米的鋼結(jié)構(gòu)

13、防火涂料。目前國(guó)內(nèi)外所使用的薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般均為膨脹型防火涂料。膨脹型防火涂料膨脹組分一般由脫水成炭催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑三部分組成。膨脹型防火涂料受熱時(shí)，成炭劑在催化劑作用下脫水成炭，炭化物在發(fā)泡劑分解的氣體作用下形成膨松、有封閉結(jié)構(gòu)的炭層，該炭層可以阻止基材與熱源間的熱傳導(dǎo)，另外多孔炭層可以阻止氣體擴(kuò)散，同時(shí)阻止外部氧氣擴(kuò)散到基材表面，達(dá)到防火目的。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)點(diǎn)：涂層薄、質(zhì)輕，粘結(jié)力強(qiáng)，干燥快；表面平滑，顏色可調(diào)，裝飾性好；單位面積用量少；施工簡(jiǎn)便，抗震動(dòng)、抗撓曲性強(qiáng)。缺點(diǎn)是主要組分為有機(jī)材料，遇火時(shí)可能會(huì)釋放出氨、HCN、鹵化氫、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化

14、碳、氯、溴等有毒有害氣體；還有耐久性差，存在隨著環(huán)境、時(shí)間等溶出、分解、降解和老化等問(wèn)題，耐火性能受環(huán)境影響大，嚴(yán)格意義說(shuō)不能用于室外。3超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指涂層使用厚度不超過(guò)3毫米的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火機(jī)理與薄涂型完全一致。因目前國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展趨勢(shì)是涂層超薄、裝飾性強(qiáng)、施工方便、防火性能高、應(yīng)用范圍廣，對(duì)涂料的粘結(jié)力和耐水性有較高的要求，因此，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般為油性膨脹型防火涂料，本涂料除應(yīng)具有較好的防火隔熱性能、粘接力好、強(qiáng)度高，能經(jīng)受凹凸溫循環(huán)的影響外，涂層還應(yīng)具有優(yōu)良的耐水性、耐酸性、耐鹽腐蝕性，和不易脫落，貯存穩(wěn)定，裝飾性好，施工方便等特

15、點(diǎn)。這類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受火時(shí)膨脹發(fā)泡形成致密的防火隔熱層，該防火隔熱層延緩了鋼材的升溫，提升了鋼構(gòu)件的耐火極限。與厚涂型和薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料相比，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料粒度更細(xì)、涂層更薄、施工方便、裝飾性更好是其特別特點(diǎn)，在滿足防火要求的同時(shí)，又能滿足人們高裝飾性要求，特別是關(guān)于裸露的鋼結(jié)構(gòu)。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的優(yōu)點(diǎn)：涂層更好、裝飾性更好，兼具薄型涂料的優(yōu)點(diǎn)，施工受環(huán)境影響小。但同樣具有薄型涂料的缺點(diǎn)。3、鋼結(jié)構(gòu)建筑防火涂料存在的問(wèn)題。無(wú)論鋼結(jié)構(gòu)防火涂料起著主要的作用，在鋼結(jié)構(gòu)建筑工程應(yīng)用中充分體現(xiàn)了價(jià)值，但其除了自身存在的缺點(diǎn)外，其它方面的問(wèn)題也較為顯然。具體表現(xiàn)在生產(chǎn)、施工方面，國(guó)內(nèi)多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模不大，生產(chǎn)工藝流程自動(dòng)化水平不高，對(duì)專用于防火涂料的原料研究不夠，對(duì)原材料的檢測(cè)、控制不夠，生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)手段不全，施工設(shè)備有待改善提升，與防銹漆的配套性也不能進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)。在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面，GB14907-2002鋼結(jié)構(gòu)防火涂料對(duì)同種