钢结构耐火性能的改善和提高方法

钢结构耐火性能的改善和提高方法

田佳慧

（河北科技师范学院）

摘要 建筑钢结构相较传统混凝土结构和砌体结构自身具备质轻、抗震、稳定等优势，同时可以对施工期适当缩短减少成本；造价较低、材料可回收等特点也符合当下节能建材的要求，但由于钢材本身不能耐高温的特点，影响了钢结构建筑的安全性，阻碍了钢结构的发展。目前如何提高钢结构的耐火性成为建筑界关注的问题之一。

关键词 钢结构 耐火性能 防火保护

中图分类号：TU 443 文献标识码：A

The Optimization and Improving Methods of Refractory Nature of Building

Steel Structure

Tian jiahui

(Hebei Normal University of Science & Technology)

Abstract: Compared to traditional concrete and masonry structure, the steel structure has lightweight, seismic, stability and other advantages, and can shorten the construction period and reduce costs. The low cost, recyclable materials and other

characteristics adapt to the requirements of the current energy-saving building materials. But the drawback of poor refractory nature of steel building materials,which has affected the safety of the steel structure building , hindered the development of the steel structure. Now how to improve the refractory nature of steel structure has become the problem of the building industry。

Key words: Steel structure Refractory nature Fire protection

1 前言

随着科技水平快速的发展，各种建筑材料也随之不断的涌现。钢结构作为建筑材料来讲已经取得了人们的信任，钢结构可以使建筑的体态更为轻盈、可以获得更多的建筑空间、可以满足人们对大跨度建筑造型的需求等。目前被广泛应用于宾馆、饭店、展览馆等民用公共建筑和厂房、仓库等工业建筑。虽然钢结构集众多优点于一身，但是钢结构有一个致命的弱点：不耐高温。[1]虽然钢结构本身不具有可燃性，但是钢结构本身又有受热强度降低极易造成建筑物倒塌等特发生，钢结构建筑一旦发生火灾往往造成群死群伤等恶性火灾事故的发生。因此，对钢结构的抗火设计、防火措施等问题应予以格外重视。

2 钢结构的特点

2.1 美观

钢结构建筑中，结构的形体、构建、节点的设计与功能需达到一体化，这样，建筑更富有功能化。同时钢结构建筑又具有较强烈的时代感和多变的外表，适于表达建筑师的想象，是融技术与艺术于一体的。另外，钢结构建筑内部空间宽敞，可灵活布设各种管线，并方便进行扩建、改建，不会影响建筑总的布局效果。

2.2 经济

钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，材料加工和安装一体化，简单迅速，能够使建筑物更早地投入使用，节省了大量的施工费用、施工进度，降低了成本；另外，钢结构建筑由于结构重量轻、柱底反力较小，节省了大量的地基处理费用，降低了造价。而在改建和加固方面，钢结构不用使用过多费用就可以很容易地实现拆散、转移和异地组装。

2.3 抗震

根据比较，相同的建筑造型，六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。正是由于钢结构重量轻和节点力学特性，使得钢结构建筑塑性好，在一般条件下不会因荷载而突然断裂。同时又具有韧

性好，对动力荷载适应性强；总质量小、质地均匀、材质波动小，且延性好，具有较好的抗震性能。如遇强大外力，在破坏前会有较大的变形，易于觉察和躲避。

2.4 环保

钢材是一种高强度高效能的材料，适用于跨度大或荷载很大的构件和结构，具有很高的再循环再利用价值，边角料也有价值，不需要制模施工。而钢结构建筑在施工中的干式作业减少了对环境的污染，回收利用率高、拆除成本低、噪音小、粉尘污染少，且构件运输方便，费用低，符合可持续发展的要求。 3 钢结构的耐火性能

钢结构的耐火性能取决于钢材，钢材本身不燃烧，也具有较好的耐热性，但是钢材不耐高温，随着温度的升高，钢材的强度是呈下降趋势的，同时变形增大。在200℃以内，钢材性能没有很大变化：430°C~540°C之间强度急剧下降；600°C时强度很低不能承担荷载。基于钢材的这种物理性能，在火灾发生时，当温度达到450°C~650°C时钢结构就会失去承载能力，发生很大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，结果因变形过大而不能继续工作，甚至垮塌。

实验室数据表明一般用钢结构的耐火性能极限为30min，而在国家规定的《建筑设计防火规范》(GB50045-95)要求耐火等级建筑的防火墙、承重墙、楼道间墙、梁等重点承重的耐火极限最小应为2h，就钢材本身的耐火性来看，远远达不到此标准，于是人们开始期盼一种耐火性能较强的钢材诞生。[2]随着需求的产生在国外一些专家通过开发和实验利用Mo、Nb 等金属元素的添加，可以提高钢材本身抗高温强度，降低钢材S、P 含量且提高韧性并改善性能上的不均匀，开发出耐火性为600°C+的建筑耐火用钢，现在已在普遍使用。虽然耐火钢本身的耐火性相较普通钢材有很大的提高，但要想达到规定耐火极限在提高钢材本身耐火性的同时还应该做适当外部防护处理。

4 提高钢结构耐火性能的措施

4.1 选用恰当的钢结构防火设计方法

(1)基于试验的构件抗火设计。根据规范要求，确定某一类型建筑物应具有的耐火时间，通过采取不同的防火措施，确定构件的耐火时间，然后根据建筑物的耐火时间要求，采取相应的措施，制定设计方案。基于实验的抗火设计方法的效果非常直接和有效，是一种简单、直观的方法。但是由于建筑物功能区域复杂化，体形越来越大，进行实验有一定的困难，在实验中很难进行准确的模拟，温度应力很难测量。

(2)基于计算的现代方法，即用计算的方法代替标准试验的方法，以有限元为基础， 建立任意荷载形式和端部约束状态的典型模型，进行模拟计算，确定构件的温度应力，通过模拟不同的防火措施，确定最后的结果。这种方法考虑的因素较多，计算的结果和实际也更为接近，而且成本较低，是钢结构抗火设计发展的方向。但是同样存在模拟的失真的问题，不能完全模拟真实情况，计算方法也没有一个统一的规范，计算结果差异较大。

(3)性能化设计方法。传统的建筑防火规范和设计方法，仅规定了防火设计必须满足的各项设计参数指标，没有从建筑物整体上进行考虑，没有从建筑物要达到的总的安全目标进行评估我们可以根据建筑物的结构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，对建筑的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估， 从而得出最优化的防火设计方案。以性能为基础的设计方案主要优势在于，它能够精简安全系统设计，并将系统要求及相关成本降至最低。

4.2 钢结构的被动防火保护方法

所谓钢结构构件的被动防火保护就是一种在火灾中不依靠降低火灾的燃烧热释放率或抑制火灾增长来实现结构不受高温或火焰严重影响的防火保护方法。[3]它只凭所采取的措施自身的热特性，减小结构构件与高温烟气或火焰隔离或吸收构件所接受热量的速度，减少构件升温速度，使构件在火灾作用下仍能发挥其预定功能。

(1) 单面屏蔽法。在钢构件的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。如：钢梁下面吊装防火平顶，以及钢外柱内侧设置有一定宽度的防火板等等。如果建筑内部发生火灾，火焰也烧不到钢构件。这种在特

殊部位设置防火屏障措施不失一种较经济的钢构件防火方法。

(2) 浇铸混凝土或砌筑耐火砖。采用混凝土或耐火砖完全封闭构件。这种方法优点是强度高，耐冲击，但缺点是要占用的空间较大，例如，用200 号混凝土保护钢柱，其厚度5~10mm才能达到1.5~3小时的耐火极限。另外，施工也较麻烦，特别在钢梁、斜撑上，施工十分困难。

(3) 采用耐火轻质板材作为防火外包层。采用纤维增强水泥板(如TK 板、FC 板)、石膏板、硅酸钙板、蛭石板将钢构件包覆起来。防火板由工厂加工，表面平整、装饰性好，施工为干作业。用于钢柱防火具有占用空间少、综合造价低的优点。防火板包封法相对于喷涂法是一项新技术，也较为昂贵，其单价常高达喷涂法的数倍。

(4) 涂抹防火涂料。将防火涂料涂覆于钢材表面，这种方法施工简便、重量轻、耐火时间长，而且不受钢构件几何形状限制，具有较好的经济性和实用性。喷涂法经过几十年的发展，现已成为一种很成熟的防火保护方法。

(5) 喷射无机纤维防火护层材料。[4]无机纤维材料具有低密度、高热容、低导热的突出特点，并有很好的附着力，在高温火场中，厚度没有明显的变化，护层不熔化、不脱落，能够使被保护构件达到5h 以上的耐火极限，尤其适用于耐火极限要求比较高的高层钢机构的防火保护。近几年我国钢结构建筑发展迅速，其防火保护方法绝大多数采用喷涂防火涂料的方法。

4.3 钢结构的主动防火保护方法

钢结构构件的主动防火保护是一种采用建筑内的主动消防措施，如采取排烟、自动灭火系统，排除室内热量、抑制火灾增长和灭火，在火灾发生后从根本上消除高温和火焰对钢结构构件的威胁，以实现保护钢结构的方法。与被动防火保护相比，它是一种更积极的保护方式。这样可以降低室内温度，使建筑结构得到保护，并为人员疏散创造良好的条件与环境。

4.4 提高钢结构耐火性能的其他途径

(1)采用耐火、耐候钢建造钢结构。[5]耐火、耐候钢是通过合适的技术，增加钢材的特殊成分，使钢材的结构及金相组织发生变化，从而改善钢材内在的耐火性和耐候性。从图1 耐火钢的强度一温度关系曲线可看出：这种钢材在温度达600°C时，屈服强度下降不大于1/3；此外它还具有自愈性或永久性。目前我围有多家钢铁企业已成功开发建筑用耐火、耐候钢，钢结构提供了良好的用材来源。

(2)采用抗火能力强的结构形式和构件。纯钢结构的耐火性比较差，但是可以适当结合混凝土组成混合构件，或在一些关键部位直接采用钢筋混凝土结构。例如柱子可以采用钢管混凝土柱，这样可以很有效提高耐火极限，而且钢管直径(或边长)越大，耐火时间越长。

[6](3) 采取合理的钢构件防火构造处理方案。钢结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工，

并利于装修。当有非燃烧体的围护或分隔构件与钢构件处于同一轴线时， 可利用非燃墙体本身为钢构件提供防火保护，而不需另做防火保护层。而对那些裸露在外的钢构件，则应采用合理的防火保护构造作法。 5 结语

目前在我国钢结构已经被广泛应用于各种建筑，无论是大跨度的厂房、仓库、桥梁，还是超高层建筑的办公楼、电视塔等复杂结构的相关建筑，是混凝土结构较难实现的建筑，必须采用与钢结构结合。国内钢结构制造业年产量已超过700 万吨，根据部分国外发达国家数据钢材总产量中钢结构产量至少占10%计算，我国年钢结构产量至少不低于1800 万吨。钢结构以自身特点可被塑造成各种形态在当下建筑中被广泛应用，而现代建筑的混合使用同时也对钢材本身的耐火性提出了一定的要求；建筑物趋于复杂的使用其包括住宅、办公、商场、综合一体在现今也较为常见，就此对火灾荷载能力的差别也非常大，由于次差别的存在估选耐火材料也存在着一定困难，只能以提高钢材本身或辅助耐火性提高的措施上多下功夫。随着国民经济的不断增长，钢结构必然会根据自身固有的特点和社会的需要逐步推广，而钢结构耐火性的提高便是一个被关注的热点问题，因发展的需要国内外专家学者将会不断研究和实验提高钢材本身的耐火性。除了钢结构本身耐火性的提高外，适当防护措施也是必不可少的，另要兼顾实用性和美观性。在吸取多次国内外重大火灾教训后我们应该重新整理思路考虑我国现行钢结构耐火设计方法的不足。应针对自身缺点效仿耐火设计先进的国家重新在实际条件下考虑提高钢结构耐火设计的方法，从而减少生命财产的进一步损失。

参考文献:

[1]董杰,王川华,张婕等.钢结构建筑用耐火钢的研究[J].莱钢科技,2008,133（2）:34-39.

[2] GB50016- 2006,建筑设计防火规范[S].

[3]杨惠予.提高钢结构耐火性能大力推广钢结构建筑[J].中小企业管理与科技,2010,（10）:249.

[4]舒光学.建筑钢结构防火保护方法研究[J].合作经济与科技,2009,（1）:31-32.

[5]张威振,徐志胜.耐火耐候钢的研究与应用现状.新型建筑材料,2004（1）:62-64.

[6] CECS 200: 2006 2006,建筑钢结构防火技术规范 [S].