如何提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性

鋼材具有的強(qiáng)度高、延性好優(yōu)點(diǎn)決定了鋼結(jié)構(gòu)則具備自重輕、抗震性能好、承載能力大的特性，同時鋼結(jié)構(gòu)可場內(nèi)加工，施工周期短，同時材料又是可回收利用。因此，不管在國內(nèi)還是國外鋼結(jié)構(gòu)建筑都得到了廣泛的運(yùn)用。

但鋼結(jié)構(gòu)有一個致命弱點(diǎn)：抗火性能差。為了使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中較常時間地保持強(qiáng)度和剛度，保障人們的生命和財產(chǎn)安全，在實(shí)際工程中采用了多種防火保護(hù)措施。根據(jù)防火原理不同，防火措施分阻熱法和水冷卻法。阻熱法又可分為噴涂法和包封法（空心包封法和實(shí)心包封法）。水冷卻法有水淋冷卻法和沖水冷卻法。本文將具體介紹各種防火措施，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 、鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限與耐火性能

鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限是指構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)中，從受到火的作用時起到失去穩(wěn)定性或完整性、絕熱性止這段抵抗火作用的時間。

鋼材本身雖然不會起火燃燒,但鋼材的材性受溫度影響很大，但在250℃鋼材的沖擊韌性下降，超過300℃，屈服點(diǎn)與極限強(qiáng)度顯著下降。實(shí)際火災(zāi)下，荷載情況不變, 鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃左右，而一般火場溫度達(dá)到800～1000℃。因此，火災(zāi)高溫下鋼結(jié)構(gòu)很快地會出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生局部破壞， 最終造成鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌失效。

鋼結(jié)構(gòu)建筑必須采取防火措施，以使得建筑具有足夠的耐火極限。防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫到臨界溫度， 防止產(chǎn)生過大變形以至建筑物倒塌，從而為滅火和人員安全疏散贏得寶貴時間，避免或減少火災(zāi)帶來的損失。

2、鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施

鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施按原理分為兩類：一是阻熱法，二是水冷卻法。這些措施的目的是一致的：使構(gòu)件在規(guī)定的時間, 溫度升高不超過其臨界溫度。不同的是阻熱法是阻止熱量向構(gòu)件傳輸來, 而水冷卻法允許熱量傳到構(gòu)件上, 再把熱量導(dǎo)走以實(shí)現(xiàn)目的。

2.1 阻熱法

阻熱法根據(jù)防火涂料阻熱和包封材料阻熱，分為噴涂法和包封法。噴涂法通過涂覆或噴灑防火涂料把構(gòu)建保護(hù)起來。包封法又可分為空心包封法和實(shí)心包封法。

2.1.1 噴涂法

一般采用防火涂料涂覆或噴灑于鋼材表面，形成耐火隔熱保護(hù)層，提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。這種方法施工簡便、重量輕、耐火時間較長，而且不受鋼構(gòu)件幾何形狀限制。具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，應(yīng)用廣泛。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的品種較多,大體分為兩類：一類是薄涂型防火涂料( B 類) , 亦即鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火料；另一類是厚涂型涂料(H) 類。

B類防火涂料，涂層厚度一般為2-7mm。基料為有機(jī)樹脂，有一定裝飾效果，高溫時膨脹增厚。耐火極限可達(dá)0.5～1.5h。薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層薄、重量輕、抗振性好。室內(nèi)裸露鋼結(jié)構(gòu)、輕型屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)規(guī)定其耐火極限在1.5h及以下時，宜選用薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。H類防火涂料涂層厚度一般為8～50mm。呈粒狀面。主要成分為無機(jī)絕熱材料，密度較小熱導(dǎo)率低。耐火極限可達(dá)0.5～3.0h。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般不燃、耐老化、耐久性較可靠。室內(nèi)隱蔽鋼結(jié)構(gòu)、高層全鋼結(jié)構(gòu)及多層廠房鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)規(guī)定其耐火極限在1.5h以上時，應(yīng)選用厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

2.1.2包封法

1) 空心包封法：一般采用防火板或耐火磚，沿鋼構(gòu)件的外圍邊界，將鋼構(gòu) 件包裹起來。國內(nèi)石化工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房大多采用砌筑耐火磚包裹鋼構(gòu)件的方法對鋼結(jié)構(gòu)加以保護(hù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐沖擊，但缺點(diǎn)是占用的空間較大、施工較麻煩。采用耐火輕質(zhì)板材如纖維增強(qiáng)水泥板、石膏板、蛭石板等作防火外包層。對大型鋼構(gòu)件進(jìn)行箱式包裹的方法具有裝修面平整光滑、成本低、損耗小、無環(huán)境污染、耐老化等優(yōu)點(diǎn)，推廣前景良好。

2) 實(shí)心包封法：一般通過澆筑混凝土，將鋼構(gòu)件包裹起來，完全封閉鋼構(gòu) 件。如上海浦東世界金融大廈的鋼柱就采用該方法。其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐沖擊，但缺點(diǎn)是混凝土保護(hù)層占用的空間大、施工比較麻煩，特別是在鋼梁和斜撐上施工十分困難。

2.2 水冷卻法

水冷卻法包括水淋冷卻法和充水冷卻法。

2.2.1 水淋冷卻法

水淋冷卻法是在鋼結(jié)構(gòu)上部布置自動或手動噴淋系統(tǒng)。發(fā)生火災(zāi)時，啟動噴淋系統(tǒng)，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成一層連續(xù)的水膜，火焰蔓延到鋼結(jié)構(gòu)表面時，水分蒸發(fā)帶走熱量，延緩鋼結(jié)構(gòu)建筑達(dá)到其界限溫度。水淋冷卻法在同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院大樓得到使用。

2.2.2 充水冷卻法

充水冷卻法是在空心鋼構(gòu)件內(nèi)充水。通過水在鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的循環(huán)，吸收鋼材本身受熱的熱量。從而使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中能保持較低的溫度，不會因升溫過高而喪失承載能力。為防止銹蝕和結(jié)冰, 水中要加阻銹劑和防凍劑。美國匹茲堡64層的美國鋼鐵公司大廈的鋼柱就采用了充水冷卻法。

3、防火措施比較

阻熱法通過阻熱材料可以減慢熱量向結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳導(dǎo)的速度。總體來說，隔熱法經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性較好，在實(shí)際工程運(yùn)用相當(dāng)廣泛。水冷卻法是抵御火災(zāi)的一種有效的防護(hù)措施，但由于這種方法對結(jié)構(gòu)設(shè)計有專門要求，同時其成本較高，故目前在工程領(lǐng)域還未得到很好的推廣。

阻熱法在鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中廣泛使用，所以下面重點(diǎn)比較阻熱法措施中噴涂法與包封法的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 耐火性

這耐火性能上，包封法優(yōu)于噴涂法。混凝土、耐火磚等包封材料耐火性比一般的防火涂料好。另外，新型防火板的耐火性能也優(yōu)于防火涂料。其耐火極限明顯高于同厚度的鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱材料, 更高于膨脹型防火涂料。

3.2耐久性

由于包封材料如混凝土耐久性比較好，不易隨時間推移發(fā)生性能劣化；而耐久性一直是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料未能解決好的問題。以有機(jī)組分為主的薄型和超薄型防火涂料無論是用于室外還是室內(nèi), 其有機(jī)組分都可能產(chǎn)生分解、降解、老化等問題, 從而使涂層剝落粉化或失去防火性能。

3.3施工性

鋼結(jié)構(gòu)防火的噴涂法施工簡便,無須復(fù)雜的工具即可施工。但噴涂法防火涂料施工質(zhì)量可控性差,對基材的除銹、防火涂料的涂層厚度以及施工環(huán)境濕度等不易控制；包封法施工比較復(fù)雜，對于斜撐、鋼梁尤為明顯，不過施工可控性較強(qiáng)強(qiáng)，質(zhì)量容易保證。可以較為準(zhǔn)確地改變包封材料的厚度來控制耐火極限。

3.4 環(huán)保性

噴涂法在施工時污染環(huán)境, 特別是在高溫作用下能揮發(fā)出有害氣體。包封法在施工、正常使用環(huán)境和火災(zāi)高溫下均無有毒釋放物, 有利于環(huán)境保護(hù)和火災(zāi)時的人員安全。

3.5 經(jīng)濟(jì)性

噴涂法施工簡單、工期短，施工費(fèi)用低。但防火涂料價格高，而且由于涂料存在老化等缺點(diǎn),其維護(hù)費(fèi)用較高。包封法施工費(fèi)用高, 但所用材料價格便宜, 且維修費(fèi)用低。綜合來講，包封法經(jīng)濟(jì)效性較好。