結(jié)構(gòu)用鋼高溫力學(xué)性能分析及防火技術(shù)措施

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隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，建筑中對大跨度空間結(jié)構(gòu)及超高層鋼結(jié)構(gòu)的需求不斷增加，而鋼材是能夠滿足上述結(jié)構(gòu)要求的主要輕質(zhì)高強(qiáng)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(jié)構(gòu)有了更大的發(fā)展空間。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面寬展、瘦長，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大(約為混凝土的40倍)，以及鋼材的力學(xué)性能對溫度的敏感性等原因，火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的威脅遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力降低，變形增大，在較短的時(shí)間(10～20min)內(nèi)就能達(dá)到極限狀態(tài)以至發(fā)生破壞。因此，相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)的防火是一個(gè)不可回避的安全問題。 
    結(jié)構(gòu)用鋼高溫力學(xué)性能分析 
    以在實(shí)際工程中最常用的鋼材Q235鋼為例，其屈服強(qiáng)度和彈性模量與常溫下對應(yīng)值之比隨火災(zāi)溫度變化的曲線。 
    在火災(zāi)條件下，Q235鋼的力學(xué)性能與常溫下相比，有明顯不同。 
    (1)屈服強(qiáng)度隨火災(zāi)溫度的升高而降低。在200’C時(shí)，屈服強(qiáng)度為常溫下的82.3%；在400。C時(shí)，屈服強(qiáng)度為常溫下的49.8%；在600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度只有常溫下的20.4%。 
    (2)彈性模量隨火災(zāi)溫度的升高而降低。在200。c時(shí)，彈性模量為常溫下的95.9%；在400℃時(shí)，彈性模量為常溫下的83.1%；在600。C時(shí)，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(zāi)高溫條件下，結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和剛度都將迅速下降。因此，當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)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(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)加入收藏夾 
    鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)措施 
    3.1設(shè)置防火屏障 
    在鋼構(gòu)件的迎火面設(shè)置防火屏障，將鋼構(gòu)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(cè)設(shè)置一定寬度的防火板等。采用這種方法，應(yīng)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(gòu)件，如圖3所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐沖擊；缺點(diǎn)是占用的空間較大。例如，用C20混凝土保護(hù)鋼柱，其厚度為5～10cm才能達(dá)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(zhì)板材 
    采用耐火輕質(zhì)板材作為防火外包層。
耐火輕質(zhì)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(zhì)，加工成板材以后，通過不同的構(gòu)造方法制成保護(hù)層。板材保護(hù)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(gòu)件上的，有使用摻無機(jī)纖維硅鈣板、蒸壓輕質(zhì)混凝土板、無機(jī)纖維強(qiáng)化石膏板、擠壓成型水泥、預(yù)制混凝土板直接貼敷的等。 
    采用耐火輕質(zhì)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(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。目前，這種方法正逐步得到廣泛應(yīng)用。 
    3.4設(shè)置噴淋供水管網(wǎng) 
    在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)時(shí)自動(dòng)(或手動(dòng))開啟噴水，在鋼構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到保護(hù)的作用。 
    3.5噴涂防火涂料 
    用噴涂機(jī)具將防火涂料直接噴涂于鋼構(gòu)件表面，形成保護(hù)層。這種方法施工簡便，重量輕，耐火時(shí)間長，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。 
    根據(jù)高溫下涂層變化的情況，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料可分為膨脹型和非膨脹型兩個(gè)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(dá)0.5～1.5h。膨脹型防火涂料的基料為有機(jī)樹脂，配方中還含有發(fā)泡劑、碳化劑等成分，遇火后自身會(huì)發(fā)泡膨脹，形成比原涂層厚數(shù)十倍的多孔碳質(zhì)層。多孔碳質(zhì)層隔熱性能極佳，可阻擋外部熱源對基材的傳熱，構(gòu)成絕熱屏障，保護(hù)鋼構(gòu)件不受火災(zāi)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(diǎn)，缺點(diǎn)是施工時(shí)氣味較大，涂層易老化，若處于吸濕受潮狀態(tài)會(huì)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(jī)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(yīng)而產(chǎn)生的吸熱作用，來阻隔和消耗火災(zāi)熱量向基材的傳遞，從而延緩鋼構(gòu)件達(dá)到臨界溫度的時(shí)間。非膨脹型防火涂料，涂層厚度一般為7～50mm，耐火極限可達(dá)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(shí)容易散發(fā)細(xì)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(jié)構(gòu)建筑中，大量推廣應(yīng)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(jié)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(jié)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?yàn)檫@種防火涂料可手工涂抹，涂層表面可達(dá)到光滑平整。 
    選用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)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(dá)到設(shè)計(jì)值，節(jié)點(diǎn)部位宜適當(dāng)加厚。噴涂場地要求、構(gòu)件表面處理、接縫填補(bǔ)、涂料配制、噴涂次數(shù)、質(zhì)量控制及驗(yàn)收要求等均應(yīng)符合GB14907—1994{鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通用技術(shù)條件》的規(guī)定。 
    3.6空心鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)注水 
    在空心鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)注水，并與設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)頂部的水箱相連，形成封閉冷卻系統(tǒng)，使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時(shí)保持較低的溫度。若發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)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(zāi)產(chǎn)生的熱量帶走，以保證鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)升溫過高而喪失承載能力。為了防止鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有專門要求，目前實(shí)際很少應(yīng)用。