钢结构建筑的防火.docx
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钢结构建筑的防火
钢结构建筑的防火
摘要：
随着钢结构建筑的快速发展，作为建筑的一个分支，现如今与砌体结构、钢筋混凝土结构一样是建筑的重要组成部分。
钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、施工污染少、可循环再生、使用率高等一系列优点。
可工业化生产，在工厂中预制后到现场整体装配，具备其他结构无法比拟的优点。
然而在这些优点的背后，也伴随着钢结构建筑致命弱点—耐火性能差，高温下虽不燃烧，但极易发生变形和破坏。
本文从钢材特点出发探讨了钢结构防火的研究与房展，以及钢结构防火设计的一些措施与注意事项。
关键词：
钢结构、钢材、耐火、防火设计、
正文
引言:
2010年11月15日14时，上海余姚路胶州路一栋高层公寓起火。
据附近居民介绍，公寓内住着不少退休教师，起火点位于10-12层之间，整栋楼都被大火包围着，楼内还有不少居民没有撤离。
大火导致58人遇难，另有70余人正在接受治疗。
事故原因已初步查明，是由无证电焊工违章操作引起的，施工作业现场管理混乱，存在明显抢工行为；事故现场违规使用大量尼龙网、聚氨酯泡沫等易燃材料；以及有关部门安全监管不力等问题。
2009年2月9日晚21时许，在建的央视新台址园区文化中心发生特大火灾事故，大火持续六小时，火灾由烟花引起。
在救援过程中消防队员张建勇牺牲，6名消防队员和2名施工人员受伤。
建筑物过火、过烟面积21333平方米，其中过火面积8490平方米，造成直接经济损失16383万元。
还有很多这样的案例，对于火灾，根据国标《消防基本术语》可以定义为在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。
随着我国越来越多的高层、超高层建筑和大空间、大跨度建筑出现在人们的视野，对于这些建筑特别像央视“过火楼”这种外形怪异的高层建筑，一般都是钢结构建筑或部分采用钢结构。
因为混凝土结构重量太大，而钢结构由于自重比较轻可以做的很高很大。
尽管钢结构具备这些比较轻、建造快、现场施工量小的优点，但是除了造价高外，它还有个致命的弱点那就是怕火——虽然钢材本身并不燃烧，但普通钢材在600摄氏度的环境下，强度就和面条差不多。
一旦大火烧过，钢结构往往严重受损。
如果救火时浇水，对其破坏将更加严重。
钢结构高层建筑即使发生不大的火灾，技术上也必须拆除才能保证安全。
因此，如何进一步完善和充实现有建筑防火规范中的相关设计要求、改进钢结构的耐火设计方法、合理确定建筑的火灾安全度，科学、经济地保障钢结构建筑的火灾安全和保护建筑内的人员生命与财产，便是我们所要研究的方向。
一、钢结构建筑的特点
1、钢材本身的特点
l.1材料的强度高，塑性和韧性好
钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比．强度要高得多。
因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。
钢材还具塑性和韧性好的特点：
塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。
良好的吸能性和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。
另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。
1.2材质均匀，与力学计算的假定比较符合
钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。
因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。
钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。
1.3钢材的重量轻
钢材的强度比混凝土等建筑材料大的同时，钢材也比钢筋、混凝土轻。
原因足钢材的强度与密度之比要比混凝上大得多。
以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的13至14。
2.钢结构建筑的应用优势
2.1设计制造周期短，设计生产一体化
现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计
周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。
同时，由于钢结构具
有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现场的生产手段相
结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成
设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确
度，可以大大减少项目建设周期。
2.2有利合理布置功能区间
在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结
构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。
传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。
钢结构住宅
可以利用钢材强度高的特点，采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔
灵活，可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。
同
时，利用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构能更好地
应用错层、跃层结构。
由于钢结构住宅的构件截面尺寸小，可以增加
使用面积，提高得房率。
下图以梅山苑二期为例，从图中可见柱截面
很小：
2.3承载强度高，抗震性能好
相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。
在抗震设防区，由于钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四
层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小;而且，钢材具有高
延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。
2.4施工优势突出，综合造价低
现浇混凝土需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影
响。
钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行
整体组装，可全天候作业。
施工现场作业量小，减少了施工临时用地，
对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。
施工时可以节省支
模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。
资金价值在施工
中充分体现，减少资金成本，对开发商的销售和资金回笼极为有利。
钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，自重比
较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。
由于基础在工
程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从
而减少整个项目的投资。
2.5符合节约型社会建设的要求
钢结构适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高。
它能将节
能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起，实现综合成套应用，
将设计、生产、施工、安装一体化，提高住宅的产业化水平。
今后随着
城市建设的发展，城市改造需要拆除大量的旧建筑，钢结构比传统结
构的拆除更容易实施，钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小，符
合可持续发展的要求。
当然，钢结构也有一些缺点，如防火能力差、易
锈蚀等。
但这些问题随着科技的发展，设计的改进，先进的防火材料、
防锈涂料及新型耐火耐候钢的出现将得到很好的解决。
二、钢结构建筑防火的研究与发展
1、钢结构防火的研究历史
1.1国内外对钢结构的耐火性能与耐火承载力计算方法进行过大量研究
在国外从20世纪60年代开始对钢管混凝土柱、压型钢板-混凝土组合板、钢-混凝土组合梁在火灾下的力学性能进行了大量理论分析和试验研究。
我国从20世纪90年代开始对钢结构的耐火设计进行了研究，如原哈尔滨建筑大学。
福州大学、同济大学、公安部天津消防科学研究所和清华大学等单位对钢结构构件平面钢框架结构的耐火性能进行了一系列研究，提出相关耐火承载力和保护层厚度的计算方法。
在国内外多年的研究下，如今对于钢材和钢结构在高温下的强度、弹性模量及全过程曲线等；高温下钢材的热导率、比热、容重及膨胀系数等；高温环境中的破坏特征、不同构件形状或尺寸变化特征；构件和结构的耐火极限及全过程分析；构件和结构内部温度场的研究与分析计算；以及关于耐火保护层计算都形成了较为系统的理论。
在火灾下单个结构构件的失效并不意味着整体结构的破坏。
钢结构在局部构件发生破坏后仍将因结构内力重分布而具有一定承载力。
另外，目前所采用的标准温升曲线受火条件只考虑了建筑内以纤维火灾为主的火灾发展过程，未考虑实际的火灾荷载、通风条件等因素，其结果与实际状况有较大差异。
因此，如何采用计算机模型模拟真实的建筑火灾，并基于不同火灾条件下整体结构对火反应分析的结构耐火设计，是钢结构耐火研究的热点之一。
而在建筑防火规范中进行基于建筑火灾安全性能化设计的规定，则是当前国内外消防安全工程领域内的重点课题，也是建筑防火规范的发展方向。
所谓建筑的火灾安全性能化设计是区别于现行以处方式规范规定为基础进行设计的一种利用消防安全工程学等原理、以预定消防安全水平为目标的消防工程设计方法，可视为是对现行规格式规范进行等效定量的一种方法，也可视为是完全脱离规格式要求而制定的性能指标。
设计人员按照设计对象的特性，按规范要求，采用规格式规范或以性能为基础的设计和评估方法来完成认为可接受或能够取得最低规定安全水平的设计。
该方法包括：
（1）建立消防安全总目标和子目标：
（2）对火灾场景进行定性分析和概率分析；O）N用己被接受的工程应用工具、方法和性能判定标准，按照消防安全总目标和子目标对设计替代方案进行量化与评估。
1．2．1．2钢结构耐火设计方法研究的发展状况
随着人们对结构耐火认识的深入和结构计算理论的发展，钢结构的耐火设计方法也得到不断发展。
主要分以下几个阶段：
l、基于试验的构件耐火设计方法：
通过在规定荷载分布与各国标准规定的火灾时间一温度曲线条件下对不同类型的构件进行大量耐火试验，取得试验数据并确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间，以此作为建筑防火设计的依据。
这种方法简单直观、应用方便，但难以考虑并模拟荷载的分布和大小、构件端部约束条件、实际受火条件等因素。
在现行建筑设计防火规范的附录中给出的数据，均依赖此方法。
2、基于计算的构件耐火设计方法：
在考虑了荷载的分布和大小、构件端部约束条件等因素以后应用经典解析方法或有限元等数值方法，通过理论计算来确定构件的耐火极限。
目前这种方法己被英国、澳大利亚、欧洲共同体等国家的设计规范采用。
但这种方法的受火条件仍是以IS0834的标准升温曲线为基础。
上述方法所取得的构件耐火极限状态不能表征整个结构的耐火极限状态，且试验费用较高，试验的受火条件及计算假设均与实际火灾有较大差异。
因此，只有将整体结构的全过程对火反应分析作为结构耐火设计的基础，并按实际火灾场景的温度变化进行受火研究分析，才可能与真实状态接近。
3、基于计算的结构耐火设计方法：
结构作为一个整体承受荷载，单个构件的破坏并不意味着整个结构破坏。
相反由于结构中的内力重分布，结构仍具有一定的承载力。
因此，结构的耐火设计方法与实际状况更接近更合理。
法国已采用此方法。
英国也正在制定相关的标准，如BS9999（草稿）。
4、考虑火灾随机性的结构耐火设计方法：
这种方法以概率可靠度为指标，考虑了火灾及空气升温的随机性。
此法先确定不同典型场所的火灾荷载及其分布、火灾场景，再采用性能化方法进行计算，是各国目前正在积极研究的以性能为基础的安全评估技术和建筑消防安全性能化设计的一部分。
目前我国对于钢结构构件的耐火能力确定方法为按常规方法完成设计的钢结构，进行耐火能力的验算，确定满足防火规范规定的相应耐火要求。
这种方法大致还处于第二阶段，即：
根据构件常温下的力学性能，设计荷载下构件应力状态及构件的边界条件，确定其临界温度；依据结构用钢材及混凝上的热力学性能和热工性能、截面的几何形状、热传导方式、保护层厚度等，根据按《建筑构件耐火试验方法》GB／T9978规定的火灾标准时间一温度曲线受火条件下钢构件的耐火能力计算方法，确定构件在高温作用下的耐火极限和极限承载力；最后验算在规定的耐火时间内，构件所达到的温度最大值是否不大于其临界温度，或者与建筑设计防火规范规定的有关构件的耐火极限进行比较，确定最终的钢结构保护设计。
此方法可用图1．1的设计流程图表示。
1．2．13结构耐火试验研究
在70年代，我国为了制定相关建筑设计防火规范，对建筑结构单一构件的耐火性能开展了大规模的试验研究，取得了一批数据．并作为结构耐火设计的基础。
自80年代以来，公安部天津和四川消防科学研究所、同济大学、哈尔滨建筑大学等单位对钢结构构件及其保护的耐火性能进行了研究，并对结构整体的耐火性能开展过小规模的试验研究。
国外对钢结构构件和钢，混凝土混合结构构件进行过较多研究。
日本在80年代初，曾对一系列钢框架模型利用电炉加热方法进行过火灾试验。
90年代前后，法国等对钢结构整体耐火性能进行了试验研究，英国建筑研究所03RE）I钢结构学会（SCI），爱丁堡大学等在Cardington对整体钢结构进行了足尺实体火灾试验，取得了一批研究成果。
1．2．2钢结构的防火保护研究结束钢结构的防火保护主要有外包敷隔热屏蔽方法、自动喷水灭火系统和充水冷却保护三种方式。
国内外的相关研究主要集中在外包敷隔热屏蔽方法方面。
1、国外在上世纪70年代对钢结构防火涂料的研究和应用开展了积极的工作并取得了许多实用成果。
而采用防火板等方式保护则早在80年前就已开始应用。
40年代美国研制出硅酸钙保温绝热材料，90年代，丹麦和德国研制出工作温度高达1100℃的无岩棉硅酸钙绝热材料。
2、在我国，公安部天津和四川消防科学研究所、中国建筑科学研究院等单位自20世纪80年代以来，对钢结构的防火保护进行了系统研究，取缛了大量成果。
在防火涂料研究方面，1985年研制出LG钢结构防火隔热涂料，1987年研制出薄型LB钢结构膨胀防火涂料，1994年研制出SWH室外钢结构防火隔热涂料和SWB室外钢结构膨胀防火涂料，19％年研制出LF和CB超薄型钢结构膨胀防火涂料。
此外，我国对钢结构防火涂料耐候性、耐久性方面也开展过一些研究。
在防火涂料研制出来以前，我国建造的钢结构建筑的防火保护主要采用蛭石混凝土板、珍珠岩板、石棉水泥板和石膏板等防火保护板材。
随着人们对人身健康和环境问题的日益重视，近10年来，采用无石棉的硅酸石结构型防火板对钢结构进行保护是新的发展方向。
在采用自动喷水灭火系统保护方面，主要是针对大空间或大跨度的屋架部分。
对于空心钢结构，也有采用在火灾时在其内部充入循环水进行冷却保护。
三、钢结构高温下的结构与结构构件的性能变化
1、钢结构构件在火灾条件下的破坏机理
火灾发生时产生的热量是以辐射和对流传给结构构件的，即使构件是不燃的，由于温度上升也会引起膨胀和强度的降低。
热膨胀引起构件伸长，或两侧受热不均时引起构件弯曲，产生位移或约束力，在刚性框架结构中，由于横梁伸长而产生的约束增大，可能把柱子从其承载处推开，使结构受到破坏，引起垮塌。
钢结构构件在温度升高时，强度会降低。
对建筑用钢而言，在260℃以前其强度不降低；260℃-280℃开始下降，达到400"C时屈服现象消失、强度明显降低；达到450℃-500℃时，钢材内部再结晶使强度急速下降；至550℃时，其强度将损失40％；至700℃时基本失去承载力。
与此同时，在较低温度时蠕变也会发生，但只有在高于0.3Tt（以绝对温度表示的金属熔点）时才比较明显，对于碳素钢，该温度约为300℃-350℃；温度越高，蠕变越明显。
因此，高温时钢结构构件的受力状态十分不利，防火设计是钢结构建筑必须充分考虑的关键。
四、钢结构建筑的防火设计（民用建筑+工业建筑）
1、钢结构构件的被动耐火保护
所谓钢结构构件的被动耐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。
它只凭所采取的措施自身的热特性，将结构构件与高温烟气或火焰隔离或吸收构件所接受的热量，使构件在火灾作用下仍能发挥其预定功能。
一般采用不燃的热惰性材料或热导率小且遇热能自行膨胀或炭化的涂敷材料直接包敷在钢结构外面或在火灾时充入循环水冷却保护
直接包敷保护法是在钢结构表面或外围直接施用防火材料，如砌筑砖石、浇筑混凝土、抹灰、喷涂防火涂料或包敷防火板等将裸露的钢构件包封或覆盖起来，达到提高钢结构耐火能力的目的。
（1）在锅结构构件四周浇筑混凝十或砌筑耐火砖，如上海外滩的浦发银行（原汇丰银行），浦东世界金融大厦、上海信息大厦。
这种方法比较可靠，但较适合于钥柞的保护。
对于梁等其他构件。
施-El：
l：
较麻烦且自重大；对于初期升温很快的火灾也不太适用。
这种保护方法在高温作用F易发生崩裂现象。
（2）采用硅酸钙板、蚝石板、珍珠岩板、石棉水泥板、石膏板等耐火轻质板材包覆，如上海希尔顿宾馆、新锦江饭店，其中蜓石板的最高使用温度为850℃，石膏板的最高使用温度600℃，纤维增强普通硅酸钙板的使用温度为650℃～950℃。
其中纤维增强普通硅酸钙板在日本高层建筑中的总用量己达防火材料总量的lO％。
90年代中期德国和丹麦研制的无石棉纯硬硅钙石绝热板和公安部四川消防科学研究所研制的GF新型钢结构防火板的最高使用温度均可达1l00"C。
蛙石板和珍珠岩板客重小，但使用最高温度只有650"C～850℃，很难达到钢结构耐火保护的目的。
防火板包敷屏蔽保护钢结构构件具有施工方便、成本低、干法施T和耐久、施工质量易控制等优点，对钢柱、钢粱和楼板均适用，在建筑钢结构防火保护中有较大发展潜力。
此外，纤维增强复合材料热容高、烧透时间长，具有良好的隔热性能，也是一种较好的耐火包敷材料。
这种保护方法可靠、在国
外应用比较普遍，且有相应的标准，如英国、欧盟、日本和美国等，但在我国应用还不普遍。
这种方法对节点处理的要求较高。
（3）喷涂钢结构防火涂料，如上海金沙江饭店、世界广场、上海和北京的国际贸易中心大厦。
应用防火涂料来增加钢结构的耐火性能是一种比较传统的方法。
膨胀犁涂料暴露在高温下，其膨胀体积可以达到50倍，有的甚至高达200倍。
这样形成的保护层能有教地阻止热量被传导到钢材上。
常用阻燃剂的分解温度大部分低于300℃，能够满足钢结构保护的需要。
（4）在钢结构构件内部充水保护法。
这种方式依靠火灾时向钢结构构件内部充入循环水进行降温冷却，达到保护钢结构的目的。
它需要一套完善的火灾报警联动系统和足够的水源与供水系统，效果良好，但成本较高、火灾时增加结构自重、且结构内部需作耐水腐蚀处理。
这种方法国内外均试验不多。
总之。
在选用钢结构构件耐火保护材料时，除需要考虑材料的耐火性能外，还要考虑材料的耐久性，耐候性、耐腐蚀性、抗反复荷载性能以及高温稳定性等，使其既能满足功能要求，又其有一定的经济效果。
1．2钢结构构件的主动防火保护
钢结构构件的丰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。
与被动耐火保护相比，它是一种更积极的保护方式。
建筑室内火灾的发展都有其规律和发展过程，见莳述。
只要在火灾过程中能及时排除积聚在室内的热量，降低其燃烧热释放率．就能防止轰燃的发生。
实践证明，在建筑物内设置自动灭火设施．能有放地抑制火灾的蔓延扩66科技资讯SCIENCE＆TECHNOLOGYINFORMATION大或扑灭初期火。
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。
因此，当根据场所内的可燃物性质和可能的火灾规模，结构体系设计和建筑的性质与功能，选用相适用的自动灭火设施，能够扑灭该场所内的初期火而不致使火灾扩大或蔓延时，就可以适当降低对钢结构耐火性能的要求。
但应注意，钢结构的耐火保护是对整个钢结构体系而言的，设计时应考虑结构间的传热与内力分布影响。
此外，建筑物内设置的灭火设施是否能在火灾时发挥作用，除应按照规范和有关标准要求选用合格产品、保证安装质量外，还与日常是否有良好的维护与运行密切相关。
五、钢结构建筑防火设计的意义
随着国民经济的快速发展和现代化大型联合生产、大空间建筑和高层建筑的建设需要，10多年来，钢结构在我国建筑中得到了空前的发展与应用，被广泛用于厂房、仓库、会展中心、宾馆、综合楼、体育馆、展览馆、候机楼等各类大跨度建筑、重型结构和高层建筑。
如深圳赛格广场和地王大厦，北京国际贸易中心、京广中心和中国工商银行总行、广州好世界大厦、上海证券大厦、浦东机场和北京首都机场候机楼等。
在工业厂房和仓库中更是比比皆是。
但在建成的钢结构或钢一混凝土混合结构建筑中发生火灾的案例已有不少，如1969年12月上海文化广场火灾后不到20min就使8600m2的钢屋架全部垮塌，1996年昆山市某轻钢结构厂房火灾造成4320m2的厂房倒塌。
1998年北京丰台玉泉营家具城火灾造成该建筑整体垮塌。
2001年山东威海某医用高分子制品公司输液器生产车间发生火灾．过火面积10600m2，钢屋架呈波浪状塌陷，外墙扭曲变形、向内倾斜，车间聚苯乙烯夹芯彩钢板隔墙全部倒塌，损失1000多万元。
1999年3月山东东营市一大型商场发生火灾。
该商场主楼四层，局部五层，五层屋架为钢网架结构，其中三层、四层和五层大部分过火．面积达7000m2，造成五楼钢结构屋架倒塌，并将四楼、三楼楼板击穿，直接财产损失500余万元。
此外，天津市人民体育馆、长春卷烟厂、北京友谊宾馆剧场、江油电厂俱乐部、广州某纺织厂成品仓库、北京国际贸易中心、马鞍山市体育馆动力机房等都曾发生火灾，有的出现不同程度的垮塌。
任何材料构造的建筑在设计时均应根据其建筑高度、使用性质和规模、体量等考虑其耐火等级。
对相应的建筑构件进行耐火设计。
但从上述火灾事故情况看，大部分是因钢结构构件未采取合适的耐火保护或构件的耐火极限设计与实际建筑内的火灾条件差异较大。
此外，其中有些结构构件的耐火极限是按照现行的有关国家建筑设计防火标准进行的，而实际仍发生了垮塌。
这说明现行规范对钢结构构件的防火要求还不甚完善，甚至有些不能很好地满足实际耐火需要。
但同时现行的构件耐火性能要求在某些情况下又存在偏于保守的倾向。
为此，深入研究钢结建筑构构件的耐火设计方法，提出合理的预测与计算方法，能为科学合理地确定钢结构构件的耐火时间，在切实保证钢结构的预定耐火安全水平前提下，尽可能地提高结构耐火保护的投资效益性能比。
因此，本研究在理论和实际应用中都具有十分迫切的现实意义和社会与经济意义。
参考文献：
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[2].董石麟,罗尧治,赵阳.大跨度空间结构的工程实践与学科发展[J].空间结构,2005,11（4）:
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