结构用钢高温力学性能分析及防火技术措施

布加迪威龙

结构用钢高温力学性能分析及防火技术措施
      通过对实际工程中最常用的Q235钢的高温力学性能分析，揭示了钢材虽为非燃烧材料，但不耐火，阐明了钢结构防火是钢结构建筑存在的主要安全问题，提出了钢结构防火的技术措施及其优、缺点。
7 G( M& Z2 r+ m- m　　关键词：钢结构;防火;力学性能;耐火极限
/ y1 e5 c% g  Z　　问题的提出
　　随着工业技术的进步和人民生活水平的提高，建筑中对大跨度空间结构及超高层钢结构的需求不断增加，而钢材是能够满足上述结构要求的主要轻质高强材料之一[1]。目前，我国建筑造型的多样化、多功能化趋势，使得钢结构有了更大的发展空间。由于钢结构构件截面宽展、瘦长，钢材的导热系数大(约为混凝土的40倍)，以及钢材的力学性能对温度的敏感性等原因，火灾对钢结构的威胁远大于钢筋混凝土结构。一旦发生火灾，钢结构的承载能力降低，变形增大，在较短的时间(10～20min)内就能达到极限状态以至发生破坏。因此，相对于钢筋混凝土结构而言，钢结构的防火是一个不可回避的安全问题。
0 ?  X2 S0 d$ q5 Y1 k8 m) o( G　　结构用钢高温力学性能分析
　　以在实际工程中最常用的钢材Q235钢为例，其屈服强度和弹性模量与常温下对应值之比随火灾温度变化的曲线。
3 x, o3 b" |+ d5 P$ n. I$ S　　在火灾条件下，Q235钢的力学性能与常温下相比，有明显不同。
　　(1)屈服强度随火灾温度的升高而降低。在200’C时，屈服强度为常温下的82.3%;在400。C时，屈服强度为常温下的49.8%;在600℃时，屈服强度只有常温下的20.4%。
　　(2)弹性模量随火灾温度的升高而降低。在200。c时，弹性模量为常温下的95.9%;在400℃时，弹性模量为常温下的83.1%;在600。C时，弹性模量只有常温下的17.1%。
　　由此可见，钢材虽为非燃烧材料，但不耐火。在火灾高温条件下，结构钢的强度和刚度都将迅速下降。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易发生破坏。例如，2004年10月，河南省某市一家电量贩发生火灾，钢结构屋顶被烧整体倒塌，造成2人被埋压致死。把安全工程师站点加入收藏夹
　　钢结构防火技术措施
5 {7 D* R/ v) {5 r　　3.1设置防火屏障
　　在钢构件的迎火面设置防火屏障，将钢构件与火焰隔开，如图2所示。例如，在钢梁下面安装防火平顶，在钢柱外侧设置一定宽度的防火板等。采用这种方法，应特别注意接缝、孑L洞处的密封性，防止窜火。
　　3.2砌筑耐火砖或浇筑混凝土
　　采用砌筑耐火砖或浇筑混凝土完全封闭钢构件，如图3所示。这种方法的优点是强度高、耐冲击;缺点是占用的空间较大。例如，用C20混凝土保护钢柱，其厚度为5～10cm才能达到1.5～3h的耐火极限。另外，这种方法施工也较麻烦，特别是在钢梁、斜撑上，施工十分困难。国内石化工业厂房过去大多采用砌砖方
　　3.3外包耐火轻质板材
. ?; s6 f$ K8 t- ]* v6 |　　采用耐火轻质板材作为防火外包层。
8 f1 F9 b" q" M& q. |" W　　耐火轻质板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸钙、蛭石、陶瓷纤维、岩棉、砾石这些耐火、无毒的物质，加工成板材以后，通过不同的构造方法制成保护层。板材保护的做法有直接包裹或贴敷、使用加固铁件连接、软性材料缠绕等。例如，有采用软性的陶瓷纤维毡缠绕在钢构件上的，有使用掺无机纤维硅钙板、蒸压轻质混凝土板、无机纤维强化石膏板、挤压成型水泥、预制混凝土板直接贴敷的等。
2 x6 V1 x( |: t　　采用耐火轻质板材作为防火外包层，具有表面平整、装饰性好、施工方便以及占用空间少、综合造价低等优点。目前，这种方法正逐步得到广泛应用。
0 ]6 F' K" E" q/ t. ~2 \/ {　　3.4设置喷淋供水管网
0 q2 M- S; K  T6 @　　在钢结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动(或手动)开启喷水，在钢构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护的作用。
7 K( I! A/ G! S# L" H* d5 `  y* e$ i　　3.5喷涂防火涂料
　　用喷涂机具将防火涂料直接喷涂于钢构件表面，形成保护层。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。
　　根据高温下涂层变化的情况，钢结构防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型两个系列。
: I' {9 k3 N' _; A9 ]　　(1)膨胀型防火涂料
2 D, t) D2 e: _* v; L8 ^  |　　膨胀型防火涂料，又称薄型防火涂料，涂层厚度一般为2～7mill，耐火极限可达0.5～1.5h。膨胀型防火涂料的基料为有机树脂，配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分，遇火后自身会发泡膨胀，形成比原涂层厚数十倍的多孔碳质层。多孔碳质层隔热性能极佳，可阻挡外部热源对基材的传热，构成绝热屏障，保护钢构件不受火灾的损毁。
* [% m. d, n& ^6 E: f　　膨胀型防火涂料具有涂层薄、重量轻、抗振性好、装饰性好等优点，缺点是施工时气味较大，涂层易老化，若处于吸湿受潮状态会失去膨胀性。
1 {1 e( S- r5 ]" q, }7 W/ \( p　　(2)非膨胀型防火涂料
7 q. H" ]9 ~* R6 }2 q+ K　　非膨胀型防火涂料，又称厚型防火涂料，其主要成分为无机绝热材料，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性。非膨胀型防火涂料，利用涂层固有的良好的绝热性，以及高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用，来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，从而延缓钢构件达到临界温度的时间。非膨胀型防火涂料，涂层厚度一般为7～50mm，耐火极限可达0·5～3h。非膨胀型防火涂料一般不燃、无毒、耐老化，耐久性较可靠，适用于永久性建筑中。
　　非膨胀型防火涂料分为两类：一类以矿物纤维为骨料采用干法喷涂施工;另一类是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为骨料，采用湿法喷涂施工。
( h* h' C2 X/ o' l/ R3 c　　采用干法喷涂纤维材料，涂层容重轻，但施工时容易散发细微纤维粉尘，对施工人员和建筑物内工作人员可能造成健康影响，施工环境较差。另外表面疏松，只适合于完全封闭的隐蔽工程。在国内永久性钢结构建筑中，大量推广应用的非膨胀型防火涂料主要为湿法喷涂工艺。
) D; E" m4 B' A; [- \, s$ p　　目前，采用湿法喷涂的非膨胀型防火涂料有两种：一种是以珍珠岩为骨料，水玻璃(或硅溶胶)为黏结剂，属双组分包装涂料，采用喷涂施工;另一种是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩为骨料，水泥为黏结剂的单组分包装涂料，到现场只需加水拌匀即可，能喷亦能抹。
　　因为这种防火涂料可手工涂抹，涂层表面可达到光滑平整。
3 O$ Q  z) G0 w* \0 ?　　选用钢结构防火涂料时，应考虑结构类型、工作环境、耐火极限要求等因素。喷涂的涂料厚度必需达到设计值，节点部位宜适当加厚。喷涂场地要求、构件表面处理、接缝填补、涂料配制、喷涂次数、质量控制及验收要求等均应符合GB14907—1994{钢结构防火涂料通用技术条件》的规定。
　　3.6空心钢结构内注水
　　在空心钢结构内注水，并与设置在钢结构顶部的水箱相连，形成封闭冷却系统，使钢结构在火灾时保持较低的温度。若发生火灾，钢结构内的水被加热而上升，水箱冷水流下而产生循环，以水的循环将火灾产生的热量带走，以保证钢结构不会升温过高而丧失承载能力。为了防止钢结构生锈，须在水中掺入专门的防绣添加剂，冬天如需防冻，还要加入防冻剂。这种方法由于对结构设计有专门要求，目前实际很少应用。