結構用鋼高溫力學性能分析及防火技術措施

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隨著工業(yè)技術的進步和人民生活水平的提高，建筑中對大跨度空間結構及超高層鋼結構的需求不斷增加，而鋼材是能夠滿足上述結構要求的主要輕質高強材料之一。目前，我國建筑造型的多樣化、多功能化趨勢，使得鋼結構有了更大的發(fā)展空間。由于鋼結構構件截面寬展、瘦長，鋼材的導熱系數(shù)大(約為混凝土的40倍)，以及鋼材的力學性能對溫度的敏感性等原因，火災對鋼結構的威脅遠大于鋼筋混凝土結構。一旦發(fā)生火災，鋼結構的承載能力降低，變形增大，在較短的時間(10～20min)內(nèi)就能達到極限狀態(tài)以至發(fā)生破壞。因此，相對于鋼筋混凝土結構而言，鋼結構的防火是一個不可回避的安全問題。 
    結構用鋼高溫力學性能分析 
    以在實際工程中最常用的鋼材Q235鋼為例，其屈服強度和彈性模量與常溫下對應值之比隨火災溫度變化的曲線。 
    在火災條件下，Q235鋼的力學性能與常溫下相比，有明顯不同。 
    (1)屈服強度隨火災溫度的升高而降低。在200’C時，屈服強度為常溫下的82.3%；在400。C時，屈服強度為常溫下的49.8%；在600℃時，屈服強度只有常溫下的20.4%。 
    (2)彈性模量隨火災溫度的升高而降低。在200。c時，彈性模量為常溫下的95.9%；在400℃時，彈性模量為常溫下的83.1%；在600。C時，彈性模量只有常溫下的17.1%。 
    由此可見，鋼材雖為非燃燒材料，但不耐火。在火災高溫條件下，結構鋼的強度和剛度都將迅速下降。因此，當建筑采用無防火保護措施的鋼結構時，一旦發(fā)生火災，結構很容易發(fā)生破壞。例如，2004年10月，河南省某市一家電量販發(fā)生火災，鋼結構屋頂被燒整體倒塌，造成2人被埋壓致死。把安全工程師站點加入收藏夾 
    鋼結構防火技術措施 
    3.1設置防火屏障 
    在鋼構件的迎火面設置防火屏障，將鋼構件與火焰隔開，如圖2所示。例如，在鋼梁下面安裝防火平頂，在鋼柱外側設置一定寬度的防火板等。采用這種方法，應特別注意接縫、孑L洞處的密封性，防止竄火。 
    3.2砌筑耐火磚或澆筑混凝土 
    采用砌筑耐火磚或澆筑混凝土完全封閉鋼構件，如圖3所示。這種方法的優(yōu)點是強度高、耐沖擊；缺點是占用的空間較大。例如，用C20混凝土保護鋼柱，其厚度為5～10cm才能達到1.5～3h的耐火極限。另外，這種方法施工也較麻煩，特別是在鋼梁、斜撐上，施工十分困難。國內(nèi)石化工業(yè)廠房過去大多采用砌磚方 
    3.3外包耐火輕質板材 
    采用耐火輕質板材作為防火外包層。
耐火輕質板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸鈣、蛭石、陶瓷纖維、巖棉、礫石這些耐火、無毒的物質，加工成板材以后，通過不同的構造方法制成保護層。板材保護的做法有直接包裹或貼敷、使用加固鐵件連接、軟性材料纏繞等。例如，有采用軟性的陶瓷纖維氈纏繞在鋼構件上的，有使用摻無機纖維硅鈣板、蒸壓輕質混凝土板、無機纖維強化石膏板、擠壓成型水泥、預制混凝土板直接貼敷的等。 
    采用耐火輕質板材作為防火外包層，具有表面平整、裝飾性好、施工方便以及占用空間少、綜合造價低等優(yōu)點。目前，這種方法正逐步得到廣泛應用。 
    3.4設置噴淋供水管網(wǎng) 
    在鋼結構頂部設噴淋供水管網(wǎng)，火災時自動(或手動)開啟噴水，在鋼構件表面形成一層連續(xù)流動的水膜，從而起到保護的作用。 
    3.5噴涂防火涂料 
    用噴涂機具將防火涂料直接噴涂于鋼構件表面，形成保護層。這種方法施工簡便，重量輕，耐火時間長，而且不受鋼構件幾何形狀限制，具有較好的經(jīng)濟性和實用性。 
    根據(jù)高溫下涂層變化的情況，鋼結構防火涂料可分為膨脹型和非膨脹型兩個系列。 
    (1)膨脹型防火涂料 
    膨脹型防火涂料，又稱薄型防火涂料，涂層厚度一般為2～7mill，耐火極限可達0.5～1.5h。膨脹型防火涂料的基料為有機樹脂，配方中還含有發(fā)泡劑、碳化劑等成分，遇火后自身會發(fā)泡膨脹，形成比原涂層厚數(shù)十倍的多孔碳質層。多孔碳質層隔熱性能極佳，可阻擋外部熱源對基材的傳熱，構成絕熱屏障，保護鋼構件不受火災的損毀。 
    膨脹型防火涂料具有涂層薄、重量輕、抗振性好、裝飾性好等優(yōu)點，缺點是施工時氣味較大，涂層易老化，若處于吸濕受潮狀態(tài)會失去膨脹性。 
    (2)非膨脹型防火涂料 
    非膨脹型防火涂料，又稱厚型防火涂料，其主要成分為無機絕熱材料，遇火不膨脹，自身具有良好的隔熱性。非膨脹型防火涂料，利用涂層固有的良好的絕熱性，以及高溫下部分成分的蒸發(fā)和分解等燒蝕反應而產(chǎn)生的吸熱作用，來阻隔和消耗火災熱量向基材的傳遞，從而延緩鋼構件達到臨界溫度的時間。非膨脹型防火涂料，涂層厚度一般為7～50mm，耐火極限可達0·5～3h。非膨脹型防火涂料一般不燃、無毒、耐老化，耐久性較可靠，適用于永久性建筑中。 
    非膨脹型防火涂料分為兩類：一類以礦物纖維為骨料采用干法噴涂施工；另一類是以膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等顆粒材料為骨料，采用濕法噴涂施工。 
    采用干法噴涂纖維材料，涂層容重輕，但施工時容易散發(fā)細微纖維粉塵，對施工人員和建筑物內(nèi)工作人員可能造成健康影響，施工環(huán)境較差。另外表面疏松，只適合于完全封閉的隱蔽工程。在國內(nèi)永久性鋼結構建筑中，大量推廣應用的非膨脹型防火涂料主要為濕法噴涂工藝。 
    目前，采用濕法噴涂的非膨脹型防火涂料有兩種：一種是以珍珠巖為骨料，水玻璃(或硅溶膠)為黏結劑，屬雙組分包裝涂料，采用噴涂施工；另一種是以膨脹蛭石、膨脹珍珠巖為骨料，水泥為黏結劑的單組分包裝涂料，到現(xiàn)場只需加水拌勻即可，能噴亦能抹。
因為這種防火涂料可手工涂抹，涂層表面可達到光滑平整。 
    選用鋼結構防火涂料時，應考慮結構類型、工作環(huán)境、耐火極限要求等因素。噴涂的涂料厚度必需達到設計值，節(jié)點部位宜適當加厚。噴涂場地要求、構件表面處理、接縫填補、涂料配制、噴涂次數(shù)、質量控制及驗收要求等均應符合GB14907—1994{鋼結構防火涂料通用技術條件》的規(guī)定。 
    3.6空心鋼結構內(nèi)注水 
    在空心鋼結構內(nèi)注水，并與設置在鋼結構頂部的水箱相連，形成封閉冷卻系統(tǒng)，使鋼結構在火災時保持較低的溫度。若發(fā)生火災，鋼結構內(nèi)的水被加熱而上升，水箱冷水流下而產(chǎn)生循環(huán)，以水的循環(huán)將火災產(chǎn)生的熱量帶走，以保證鋼結構不會升溫過高而喪失承載能力。為了防止鋼結構生銹，須在水中摻入專門的防繡添加劑，冬天如需防凍，還要加入防凍劑。這種方法由于對結構設計有專門要求，目前實際很少應用。