鋼結構防火保護措施
發表日期:2019-10-11
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鋼(gang)材(cai)具有(you)的強度高、延性(xing)(xing)好優點(dian)決定(ding)了(le)鋼(gang)結構則具備(bei)自重(zhong)輕、抗震性(xing)(xing)能(neng)(neng)好、承(cheng)載能(neng)(neng)力大的特性(xing)(xing),同時(shi)鋼(gang)結構可場內加工,施(shi)工周期短(duan),同時(shi)材(cai)料又(you)是可回收(shou)利用。因此,不管(guan)在國(guo)(guo)內還是國(guo)(guo)外鋼(gang)結構建筑都得到了(le)廣泛的運用。
但鋼結構有一個致命弱點:抗火(huo)(huo)性能差。為了使鋼結構在火(huo)(huo)災(zai)中(zhong)(zhong)較(jiao)常時間地保(bao)(bao)持強(qiang)度(du)和剛度(du),保(bao)(bao)障人們的生命和財產安全,在實(shi)際工程中(zhong)(zhong)采用了多(duo)種(zhong)防火(huo)(huo)保(bao)(bao)護措施。根(gen)據防火(huo)(huo)原理不同,防火(huo)(huo)措施分阻熱法(fa)(fa)和水(shui)冷卻法(fa)(fa)。阻熱法(fa)(fa)又可分為噴(pen)涂法(fa)(fa)和包封(feng)法(fa)(fa)(空心包封(feng)法(fa)(fa)和實(shi)心包封(feng)法(fa)(fa))。水(shui)冷卻法(fa)(fa)有水(shui)淋冷卻法(fa)(fa)和沖水(shui)冷卻法(fa)(fa)。本文將具體介紹(shao)各種(zhong)防火(huo)(huo)措施,并(bing)比(bi)較(jiao)其優缺(que)點。
1、鋼結構的(de)耐火(huo)極限與耐火(huo)性能(neng)
鋼結構(gou)的耐火極限(xian)是(shi)指構(gou)件在標準(zhun)耐火試驗中,從受到火的作用時起(qi)到失去(qu)穩定性(xing)(xing)或完整性(xing)(xing)、絕熱性(xing)(xing)止這段(duan)抵(di)抗火作用的時間。
鋼(gang)(gang)材本身(shen)雖然不會(hui)起火(huo)燃燒(shao),但(dan)鋼(gang)(gang)材的(de)材性(xing)受溫度影(ying)響很大,但(dan)在250℃鋼(gang)(gang)材的(de)沖擊韌性(xing)下降(jiang),超過300℃,屈服點與極(ji)限強度顯著下降(jiang)。實際火(huo)災下,荷載(zai)情況不變, 鋼(gang)(gang)結(jie)(jie)構(gou)失去靜態平衡穩定(ding)性(xing)的(de)臨(lin)界溫度為500℃左(zuo)右,而一般火(huo)場溫度達到800~1000℃。因(yin)此(ci),火(huo)災高溫下鋼(gang)(gang)結(jie)(jie)構(gou)很快(kuai)地(di)會(hui)出現塑性(xing)變形,產(chan)生局部破壞, 最終造成鋼(gang)(gang)結(jie)(jie)構(gou)整(zheng)體(ti)倒塌失效。
鋼(gang)結構建(jian)筑必(bi)須采取防火措施(shi),以使得建(jian)筑具有足夠的耐火極限。防止鋼(gang)結構(gou)在火(huo)災中迅速升溫到臨界溫度, 防止(zhi)產(chan)生過大變形以至建筑物(wu)倒(dao)塌,從而為滅火(huo)和人員安全疏散贏得(de)寶貴(gui)時間,避免或(huo)減少火(huo)災帶來的損失。
2、鋼結構防火保護措施
鋼(gang)結(jie)構(gou)防火保(bao)護措施按原理分為兩類(lei):一(yi)是阻(zu)熱(re)法(fa),二是水(shui)冷卻法(fa)。這(zhe)些措施的(de)目的(de)是一(yi)致的(de):使(shi)構(gou)件在規(gui)定的(de)時間, 溫度升高不(bu)超過其(qi)臨界溫度。不(bu)同的(de)是阻(zu)熱(re)法(fa)是阻(zu)止熱(re)量向(xiang)構(gou)件傳(chuan)輸(shu)來, 而水(shui)冷卻法(fa)允許熱(re)量傳(chuan)到構(gou)件上, 再把熱(re)量導走(zou)以實現目的(de)。
2.1 阻熱法
阻(zu)熱(re)法根(gen)據防(fang)火涂(tu)料阻(zu)熱(re)和(he)包(bao)封材料阻(zu)熱(re),分為噴涂(tu)法和(he)包(bao)封法。噴涂(tu)法通過涂(tu)覆或(huo)噴灑防(fang)火涂(tu)料把構建保(bao)護起來。包(bao)封法又(you)可(ke)分為空心包(bao)封法和(he)實心包(bao)封法。
2.1.1 噴涂法
一般采用(yong)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)(tu)料涂(tu)(tu)(tu)(tu)覆或噴灑于鋼(gang)材(cai)表(biao)面,形(xing)成(cheng)耐(nai)火(huo)(huo)(huo)隔熱保護層,提高(gao)鋼(gang)結構(gou)(gou)的(de)耐(nai)火(huo)(huo)(huo)極限。這種(zhong)方法施工(gong)簡(jian)便、重(zhong)量輕、耐(nai)火(huo)(huo)(huo)時間較長,而且不(bu)受鋼(gang)構(gou)(gou)件(jian)幾何形(xing)狀限制。具有較好的(de)經濟性(xing)(xing)和實用(yong)性(xing)(xing),應用(yong)廣泛。鋼(gang)結構(gou)(gou)防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)(tu)料的(de)品種(zhong)較多,大體分為兩(liang)類(lei):一類(lei)是薄涂(tu)(tu)(tu)(tu)型防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)涂(tu)(tu)(tu)(tu)料( B 類(lei)) , 亦即鋼(gang)結構(gou)(gou)膨脹防(fang)(fang)火(huo)(huo)(huo)料; 另一類(lei)是厚涂(tu)(tu)(tu)(tu)型涂(tu)(tu)(tu)(tu)料(H) 類(lei)。
B類防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao),涂層(ceng)厚(hou)度(du)一般為2-7mm。基料(liao)(liao)為有(you)機樹脂,有(you)一定裝飾效果,高溫(wen)時膨脹增厚(hou)。耐火(huo)極(ji)限(xian)可達0.5~1.5h。薄(bo)涂型(xing)(xing)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao)涂層(ceng)薄(bo)、重量輕、抗(kang)振性(xing)好。室內裸露鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)、輕型(xing)(xing)屋蓋(gai)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou),當規(gui)定其耐火(huo)極(ji)限(xian)在1.5h及(ji)以(yi)下時,宜選用薄(bo)涂型(xing)(xing)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao)。H類防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao)涂層(ceng)厚(hou)度(du)一般為8~50mm。呈(cheng)粒(li)狀面。主(zhu)要成分為無機絕(jue)熱材料(liao)(liao),密度(du)較小熱導(dao)率(lv)低。耐火(huo)極(ji)限(xian)可達0.5~3.0h。厚(hou)涂型(xing)(xing)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao)一般不燃、耐老化、耐久性(xing)較可靠。室內隱蔽(bi)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)、高層(ceng)全鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)及(ji)多層(ceng)廠房鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou),當規(gui)定其耐火(huo)極(ji)限(xian)在1.5h以(yi)上時,應(ying)選用厚(hou)涂型(xing)(xing)鋼(gang)(gang)(gang)結構(gou)(gou)防(fang)火(huo)涂料(liao)(liao)。
2.1.2包封法
1) 空心包(bao)(bao)封法:一般采用(yong)防火板或耐火磚,沿鋼(gang)構(gou)件(jian)的外圍邊界,將鋼(gang)構(gou) 件(jian)包(bao)(bao)裹起(qi)來(lai)。國內石(shi)化工(gong)業鋼(gang)結構(gou)廠房大多采用(yong)砌(qi)筑耐火磚包(bao)(bao)裹鋼(gang)構(gou)件(jian)的方法對鋼(gang)結構(gou)加以保護。該方法的優點是強度高、耐沖擊,但缺點是占用(yong)的空間較大、施工較麻煩。采(cai)用耐(nai)火(huo)輕(qing)質板材如纖(xian)維增強(qiang)水泥板、石(shi)膏板、蛭石(shi)板等(deng)作防火(huo)外包(bao)層(ceng)。對(dui)大型鋼構件(jian)進行箱(xiang)式(shi)包(bao)裹的方(fang)法具有裝修(xiu)面平整光滑、成本(ben)低、損(sun)耗(hao)小、無(wu)環境(jing)污染、耐(nai)老(lao)化(hua)等(deng)優點,推(tui)廣前(qian)景良好(hao)。
2) 實(shi)心(xin)包封法(fa):一般通過澆筑混凝(ning)土(tu)(tu),將鋼(gang)構(gou)(gou)件包裹起來,完全封閉鋼(gang)構(gou)(gou) 件。如上(shang)海浦東(dong)世界金(jin)融大廈的(de)鋼(gang)柱(zhu)就采用(yong)該方法(fa)。其(qi)優點(dian)(dian)是強度高、耐沖擊(ji),但缺點(dian)(dian)是混凝(ning)土(tu)(tu)保(bao)護(hu)層占用(yong)的(de)空間大、施工比較麻(ma)煩,特(te)別是在鋼(gang)梁(liang)和(he)斜撐上(shang)施工十分困難(nan)。
2.2 水冷卻法
水冷卻(que)法(fa)包括水淋冷卻(que)法(fa)和充水冷卻(que)法(fa)。
2.2.1 水淋冷卻法
水淋(lin)冷(leng)卻(que)法(fa)是在(zai)鋼(gang)結(jie)構(gou)上部布置自(zi)動或手動噴(pen)淋(lin)系統。發生火災時(shi),啟動噴(pen)淋(lin)系統,在(zai)鋼(gang)結(jie)構(gou)表面(mian)形成一層(ceng)連續的水膜,火焰蔓延到(dao)(dao)鋼(gang)結(jie)構(gou)表面(mian)時(shi),水分蒸發帶走(zou)熱量,延緩鋼(gang)結(jie)構(gou)建筑達到(dao)(dao)其界限(xian)溫度。水淋(lin)冷(leng)卻(que)法(fa)在(zai)同濟大學(xue)土木工程(cheng)學(xue)院(yuan)大樓得到(dao)(dao)使用。
2.2.2 充水冷卻法
充(chong)水(shui)冷卻(que)法(fa)是在空心鋼(gang)構件(jian)內(nei)充(chong)水(shui)。通過水(shui)在鋼(gang)結(jie)(jie)構內(nei)的(de)(de)(de)循環,吸收鋼(gang)材本身受熱的(de)(de)(de)熱量。從而(er)使(shi)鋼(gang)結(jie)(jie)構在火災中能保持較低的(de)(de)(de)溫度,不會因升(sheng)溫過高(gao)而(er)喪失承載能力(li)。為防止銹(xiu)蝕和結(jie)(jie)冰, 水(shui)中要加(jia)阻銹(xiu)劑和防凍劑。美國匹(pi)茲堡64層的(de)(de)(de)美國鋼(gang)鐵公司大(da)廈的(de)(de)(de)鋼(gang)柱(zhu)就采用(yong)了充(chong)水(shui)冷卻(que)法(fa)。
阻熱(re)法(fa)通過阻熱(re)材(cai)料可以減慢熱(re)量向結構構件傳導的(de)速度。總體來說(shuo),隔(ge)熱(re)法(fa)經濟性(xing)和實用性(xing)較好,在實際工程(cheng)運用相當(dang)廣泛。水冷卻法(fa)是抵御火災(zai)的(de)一種有(you)效的(de)防(fang)護措施,但由于這種方法(fa)對結構設(she)計有(you)專(zhuan)門要(yao)求,同(tong)時(shi)其成本較高(gao),故(gu)目前在工(gong)程領域還未得(de)到很好(hao)的推廣。
阻熱法(fa)在鋼結構防(fang)火保(bao)護(hu)中(zhong)廣泛(fan)使(shi)用,所以下面重(zhong)點(dian)(dian)比較阻熱法(fa)措施中(zhong)噴涂(tu)法(fa)與包封(feng)法(fa)的優缺點(dian)(dian)。
3.1 耐火性
這(zhe)耐火(huo)(huo)性(xing)能上,包封(feng)法優于(yu)噴涂(tu)(tu)法。混凝土、耐火(huo)(huo)磚等(deng)包封(feng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)耐火(huo)(huo)性(xing)比一般的(de)(de)防火(huo)(huo)涂(tu)(tu)料(liao)(liao)(liao)好。另(ling)外,新型(xing)防火(huo)(huo)板的(de)(de)耐火(huo)(huo)性(xing)能也優于(yu)防火(huo)(huo)涂(tu)(tu)料(liao)(liao)(liao)。其耐火(huo)(huo)極限(xian)明顯高(gao)于(yu)同厚度的(de)(de)鋼結構防火(huo)(huo)隔熱(re)材(cai)料(liao)(liao)(liao), 更高(gao)于(yu)膨脹型(xing)防火(huo)(huo)涂(tu)(tu)料(liao)(liao)(liao)。
3.2耐久性
由于包(bao)封材料(liao)如混凝土耐久(jiu)性(xing)比較好(hao),不易隨時間推移發生性(xing)能(neng)劣化(hua);而(er)耐久(jiu)性(xing)一直是(shi)鋼結(jie)構防(fang)火(huo)涂料(liao)未能(neng)解決好(hao)的問題。以有機(ji)組(zu)分(fen)為主(zhu)的薄型和超薄型防(fang)火(huo)涂料(liao)無(wu)論是(shi)用于室外還是(shi)室內, 其有機(ji)組(zu)分(fen)都可能(neng)產生分(fen)解、降(jiang)解、老化(hua)等問題, 從而(er)使涂層剝落粉化(hua)或(huo)失去防(fang)火(huo)性(xing)能(neng)。
3.3施工性
鋼結構防火的噴(pen)涂(tu)(tu)法施(shi)工簡便,無須復雜(za)的工具即可施(shi)工。但噴(pen)涂(tu)(tu)法防火涂(tu)(tu)料(liao)施(shi)工質(zhi)量可控(kong)(kong)性(xing)差(cha),對基材(cai)的除銹、防火涂(tu)(tu)料(liao)的涂(tu)(tu)層厚度(du)以及施(shi)工環(huan)境(jing)濕度(du)等(deng)不(bu)易控(kong)(kong)制;包封法施(shi)工比較復雜(za),對于(yu)斜撐、鋼梁尤為明顯,不(bu)過施(shi)工可控(kong)(kong)性(xing)較強強,質(zhi)量容易保證。可以較為準(zhun)確地(di)改變包封材(cai)料(liao)的厚度(du)來控(kong)(kong)制耐火極限。
3.4 環保性
噴涂法(fa)在(zai)施工(gong)時污染環境(jing), 特別是在(zai)高溫(wen)作用(yong)下能(neng)揮發出有害氣體(ti)。包封法(fa)在(zai)施工(gong)、正(zheng)常(chang)使用(yong)環境(jing)和火災高溫(wen)下均無有毒釋放物(wu), 有利于環境(jing)保(bao)護和火災時的人(ren)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等缺(que)點,其維(wei)護費用較高(gao)。包(bao)(bao)封(feng)(feng)法(fa)施工費用高(gao), 但所用材(cai)料(liao)價格便宜, 且維(wei)修(xiu)費用低。綜合來講,包(bao)(bao)封(feng)(feng)法(fa)經(jing)濟效性(xing)較好(hao)。
3.6 適用性
噴涂(tu)法不受(shou)構(gou)件的幾何(he)限制, 多用(yong)(yong)于梁、柱、樓(lou)板(ban)、屋蓋等(deng)各(ge)構(gou)件的保護(hu)。特(te)別適用(yong)(yong)于輕鋼(gang)結(jie)構(gou)、網架結(jie)構(gou)和異(yi)形(xing)鋼(gang)結(jie)構(gou)等(deng)空間結(jie)構(gou)體(ti)系鋼(gang)結(jie)構(gou)防火保護(hu)中。包(bao)(bao)封(feng)法施工復雜,特(te)別是(shi)鋼(gang)梁、斜撐等(deng)構(gou)件,包(bao)(bao)封(feng)法一般較多用(yong)(yong)于柱子,適用(yong)(yong)范圍沒噴涂(tu)法廣(guang)泛。
3.7 占用空間
噴(pen)涂法(fa)所使用(yong)(yong)的防火涂料(liao)(liao)體積較小,而包(bao)封(feng)法(fa)使用(yong)(yong)的包(bao)封(feng)材(cai)料(liao)(liao)如混(hun)凝土、防火磚(zhuan),會占用(yong)(yong)空(kong)間,減小使用(yong)(yong)空(kong)間。而且包(bao)封(feng)材(cai)料(liao)(liao)質量也較大。
通(tong)過論述可以(yi)得(de)到以(yi)下結論:
1)鋼結構(gou)防(fang)火保護(hu)措施(shi)的采用要考(kao)慮多方面因素(su)的影響(xiang),如構(gou)件類型、施(shi)工難易(yi)度、施(shi)工質(zhi)量要求、耐久性要求和經濟效益等;
2)通(tong)過對噴涂(tu)法(fa)與包封法(fa)的比(bi)較,噴涂(tu)法(fa)主(zhu)要(yao)優(you)勢在(zai)施(shi)工工藝簡便,噴涂(tu)后構(gou)件外(wai)形不發生大的改變。包封法(fa)主(zhu)要(yao)優(you)勢在(zai)于成本(ben)較低(di),防火(huo)性(xing)能(neng)與耐久性(xing)好;
3)各種防(fang)火措(cuo)施(shi)有各自的優勢(shi)和不足(zu),在工程運(yun)用中(zhong),可取(qu)長補短,多(duo)種防(fang)火措(cuo)施(shi)結合(he)使(shi)用。并可以通過采取(qu)不同(tong)措(cuo)施(shi),設置多(duo)道防(fang)火防(fang)線