钢结构住宅建筑的防火.docx

钢构造建筑日勺防火摘要：伴随钢构造建筑日勺迅速发展，作为建筑日勺一种分支，现如今与砌体构造、钢筋混凝土构造同样是建筑的重要构成部分。钢构造具有强度高、自重轻、抗震性好、施工污染少、可循环再生、使用率高等一系列长处。可工业化生产，在工厂中预制后到现场整体装配，具有其他构造无法比拟H勺长处。然而在这些长处日勺背后，也伴伴随钢构造建筑致命弱点一耐火性能差，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构造防火日勺研究与房展，以及钢构造防火设计的某些措施与注意事项。关键词：钢构造、钢材、耐火、防火设计、Abstract:Withtherapiddevelopmentofsteelstructurebuildings,abranchofabuilding,nowadaysandmasonrystructureofreinforcedconcretestructure,asistheimportantcomponentofthebuilding.Steelstructurehashighstrength,lightweight,good,constructionpollutionextent,circulatingregeneration,lessaseriesofadvantagesofhigherutilizationrate.Butindustrializedproduction,prefabricatedinfactoriestothewholeassemblyaftertheotherstructures,havetheincomparablevirtues.However,intheseadvantages,isaccompaniedbysteelstructurebehindfatalweakness-architecturalfireproofperformanceispoor,thoughnotburningunderhightemperature,buteasilyhappeneddeformationandfailure.Thispaperdiscussedfromsteelcharacteristicsofthesteelstructurefire-proofingresearchandexhibitions,andsteelstructurefire-protectiondesignandprecautionsofsomeofthemeasures.Keywords:steelstructurerolledsteelfire-resistantfireprotectiondesign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。据附近居民简介，公寓内住着不少退休教师，起火点位于10T2层之间，整栋楼都被大火包围着，楼内尚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0¾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，导致直接经济损失16383万元。尚有诸多这样B¾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导致的灾害。伴随我国越来越多的高层、超高层建筑和大空间、大跨度建筑出目前人们B视野，对于这些建筑尤其像央视“过火楼”这种外形怪异日勺高层建筑，一般都是钢构造建筑或部分采用钢构造。由于混凝土构造重量太大，而钢构造由于自重比较轻可以做的很高很大。尽管钢构造具有这些比较轻、建造快、现场施工量小0长处，不过除了造价高外，它尚有个致命B¾弱点那就是怕火一一虽然钢材自身并不燃烧，但一般钢材在600摄氏度B¾环境下，强度就和面条差不多。一旦大火烧过，钢构造往往严重受损。假如救火时浇水，对其破坏将愈加严重。钢构造高层建筑虽然发生不大H¾火灾，技术上也必须拆除才能保证安全。因此，怎样深入完善和充实既有建筑防火规范中0有关设计规定、改善钢构造的耐火设计措施、合理确定建筑的火灾安全度，科学、经济地保障钢构造建筑的火灾安全和保护建筑内0人员生命与财产，便是我们所要研究B¾方向。一、钢构造建筑的特点1、钢材自身的特点1.l材料B强度高，塑性和韧性好钢材和其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比.强度要高得多。因此，尤其合用于跨度大或荷载很大的构件和构造。钢材还具塑性和韧性好的特点：塑性好，构造在一般条件下不会因超载而忽然断裂；韧性好，构造对动力荷载的适应性强。良好的吸能性和延性还使钢构造具有优越的抗震性能。另首先，由于钢材B¾强度高，做成日勺构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的规定，强度有时不能充足发挥。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靠近于匀质和各向同性，并且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢构造的实际受力状况和工程力学计算成果比较符合。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0范围小。1.3钢材B¾重量轻钢材的强度比混凝土等建筑材料大的同步，钢材也比钢筋、混凝土轻。原因足钢材0强度与密度之比要比混凝上大得多。以同样0跨度承受同样荷载，钢屋架0重量最多不超过钢筋混凝土屋架B¾13至14。2.钢构造建筑的应用优势2.1设计制造周期短，设计生产一体化现代构造设计借助于计算机和专业化构造分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常以便。同步，由于钢构造具有工厂预制、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毕设计后，即由工厂的生产线完毕产品制作，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，建筑师和居民一直但愿可以有大跨的无竖向结构B¾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。老式住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。钢构造住宅可以运用钢材强度高0特点，采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔灵活，可以运用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，运用钢构造连接简朴的特点，在垂直平面内比老式构造能更好地应用错层、跃层构造。由于钢构造住宅0构件截面尺寸小，可以增长使用面积，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，抗震性能好相似的荷载，钢构造截面最小，相似的截面，钢构造承载力最大。在抗震设防区，由于钢构造重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相称于四层砖混构造的重量，因此，自身所受0地震作用小;并且，钢材具有高延性，有很好B¾耗能能力，因此，抗震性能好，构造安全度高。2.4施工优势突出，综合造价低现浇混凝土需要持续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢构造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B¾材料，由此减少成本，大大加紧施工速度。资金价值在施工中充足体现，减少资金成本，对开发商的销售和资金回笼极为有利。钢构造承载力高，可以实现构造的大开间布置，构件截面小，自重比较轻，地基的处理比较轻易，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，上部构造重量轻可以减少基础0造价，从而减少整个项目B¾投资。2.5符合节省型社会建设的规定钢构造合适工厂大批量生产，工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进B¾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。此后伴随都市建设的发展，都市改造需要拆除大量0旧建筑，钢构造比老式结构的拆除更轻易实行，钢材回收运用率高、拆除成本低、污染较小，符合可持续发展的规定。当然，钢构造也有某些缺陷，如防火能力差、易锈蚀等。但这些问题伴随科技的发展，设计0改善，先进0¾防火材料、防锈涂料及新型耐火耐候钢的出现将得到很好B¾处理。二、钢构造建筑防火的研究与发展1、钢构造防火的研究历史1.1国内外对钢构造B耐火性能与耐火承载力计算措施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年代开始对钢构造B¾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构造构件平面钢框架构造0耐火性能进行了一系列研究，提出有关耐火承载力和保护层厚度的计算措施。在国内外数年0研究下，如今对于钢材和钢构造在高温下B强度、弹性模量及全过程曲线等；高温下钢材B¾热导率、比热、容重及膨胀系数等；高温环境中的破坏特性、不一样构件形状或尺寸变化特性；构件和构造的耐火极限及全过程分析；构件和构造内部温度场0研究与分析计算；以及有关耐火保护层计算都形成了较为系统B¾理论。在火灾下单个构造构件的失效并不意味着整体构造的破坏。钢构造在局部构件发生破坏后仍将因构造内力重分布而具有一定承载力。此外，目前所采用0原则温升曲线受火条件只考虑了建筑内以纤维火灾为主0火灾发展过程，未考虑实际0火灾荷载、通风条件等原因，其成果与实际状况有较大差异。因此，怎样采用计算机模型模拟真实的建筑火灾，并基于不一样火灾条件下整体构造对火反应分析B¾构造耐火设计，是钢构造耐火研究0¾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，则是目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运用消防安全工程学等原理、以预定消防安全水平为目的的消防工程设计措施，可视为是对现行规格式规范进行等效定量0一种措施，也可视为是完全脱离规格式规定而制定0性能指标。设计人员按照设计对象B特性，按规范规定，采用规格式规范或以性能为基础的设计和评估措施来完毕认为可接受或可以获得最低规定安全水平0¾设计。该措施包括：（1）建立消防安全总目的和子目的：（2）对火灾场景进行定性分析和概率分析；O）N用己被接受0工程应用工具、措施和性能鉴定原则，按照消防安全总目0¾和子目0¾对设计替代方案进行量化与评估。1.2.1.2钢构造耐火设计措施研究的发展状况伴随人们对构造耐火认识0深入和构造计算理论0发展，钢构造B耐火设计措施也得到不停发展。重要分如下几种阶段：1、基于试验的构件耐火设计措施：通过在规定荷载分布与各国原则规定的火灾时间一温度曲线条件下对不一样类型0¾构件进行大量耐火试验，获得试验数据并确定在采用不一样防火措施后构件B¾耐火时间，以此作为建筑防火设计B¾根据。这种措施简朴直观、应用以便，但难以考虑并模拟荷载的分布和大小、构件端部约束条件、实际受火条件等原因。在现行建筑设计防火规范0附录中给出0数据，均依赖此措施。2、基于计算的构件耐火设计措施：在考虑了荷载的分布和大小、构件端部约束条件等原因后来应用经典解析措施或有限元等数值措施，通过理论计算来确定构件的耐火极限。目前这种措施己被英国、澳大利亚、欧洲共同体等国家的设计规范采用。但这种措施的受火条件仍是以IS0834的原则升温曲线为基础。上述措施所获得的构件耐火极限状态不能表征整个构造的耐火极限状态，且试验费用较高，试验日勺受火条件及计算假设均与实际火灾有较大差异。因此，只有将整体构造的全过程对火反应分析作为构造耐火设计的基础，并按实际火灾场景的温度变化进行受火研究分析，才也许与真实状态靠近。3、基于计算的构造耐火设计措施：构造作为一种整体承受荷载，单个构件的破坏并不意味着整个构造破坏。相反由于构造中的I内力重分布，构造仍具有一定0承载力。因此，构造的耐火设计措施与实际状况更靠近更合理。法国已采用此措施。英国也正在制定有关的原则，如BS9999（草稿）。4、考虑火灾随机性日勺构造耐火设计措施：这种措施以概率可靠度为指标，考虑了火灾及空气升温0¾随机性。此法先确定不一样经典场所B¾火灾荷载及其分布、火灾场景，再采用性能化措施进行计算，是各国目前正在积极研究的以性能为基础0安全评估技术和建筑消防安全性能化设计0一部分。目前我国对于钢构造构件的耐火能力确定措施为按常规措施完毕设计B¾钢构造，进行耐火能力B¾验算，确定满足防火规范规定的对应耐火规定。这种措施大体还处在第二阶段，即：根据构件常温下0力学性能，设计荷载下构件应力状态及构件0边界条件，确定其临界温度；根据构造用钢材及混凝上B¾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措施GB/T9978规定的火灾原则时间一温度曲线受火条件下钢构件的耐火能力计算措施，确定构件在高温作用下的耐火极限和极限承载力；最终验算在规定B耐火时间内，构件所到达的温度最大值与否不不小于其临界温度，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，确定最终的钢构造保护设计。此措施可用图1.lrJ设计流程图表达。1.2.13构造耐火试验研究在70年代，我国为了制定有关建筑设计防火规范，对建筑构造单一构件的耐火性能开展了大规模的试验研究，获得了一批数据.并作为构造耐火设计的基础。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构造构件及其保护的耐火性能进行了研究，并对构造整体的耐火性能开展过小规模的试验研究。国外对钢构造构件和钢，混凝土混合构造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运用电炉加热措施进行过火灾试验。90年代前后，法国等对钢构造整体耐火性能进行了试验研究，英国建筑研究所03RE)I钢构造学会(SCI),爱丁堡大学等在Cardington对整体钢构造进行了足尺实体火灾试验，获得了一批研究成果。1.2.2钢构造0防火保护研究结束钢构造B¾防火保护重要有外包敷隔热屏蔽措施、自动喷水灭火系统和充水冷却保护三种方式。国内外的有关研究重要集中在外包敷隔热屏蔽措施方面。1、国外在上世纪70年代对钢构造防火涂料的研究和应用开展了积极的工作并获得了许多实用成果。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IloO时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，对钢构造的防火保护进行了系统研究，取缗了大量成果。在防火涂料研究方面，1985年研制出1.G钢构造防火隔热涂料，1987年研制出薄型1.B钢构造膨胀防火涂料，1994年研制出SWH室外钢构造防火隔热涂料和SWB室外钢构造膨胀防火涂料，19%年研制出1.F和CB超薄型钢构造膨胀防火涂料。此外，我国对钢构造防火涂料耐候性、耐久性方面也开展过某些研究。在防火涂料研制出来此前，我国建造0钢构造建筑0防火保护重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。伴随人们对人身健康和环境问题的日益重视，近23年来，采用无石棉的硅酸石构造型防火板对钢构造进行保护是新0发展方向。在采用自动喷水灭火系统保护方面，重要是针对大空间或大跨度0¾屋架部分。对于空心钢构造，也有采用在火灾时在其内部充入循环水进行冷却保护。三、钢构造高温下0构造与构造构件0性能变化1、钢构造构件在火灾条件下B¾破坏机理火灾发生时产生的热量是以辐射和对流传给构造构件的，虽然构件是不燃0,由于温度上升也会引起膨胀和强度的减少。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，在刚性框架构造中，由于横梁伸长而产生的约束增大，也许把柱子从其承载处推开，使构造受到破坏，引起垮塌。钢构造构件在温度升高时，强度会减少。对建筑用钢而言，在260C此前其强度不减少；260C-280C开始下降，到达400C时屈服现象消失、强度明显减少；到达450C-50（TC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。与此同步，在较低温度时蠕变也会发生，但只有在高于0.3Tt（以绝对温度表达的金属熔点）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，高温时钢构造构件的受力状态十分不利，防火设计是钢构造建筑必须充足考虑的关键。四、钢构造建筑0防火设计(民用建筑+工业建筑)1、钢构造构件的被动耐火保护所谓钢构造构件的被动耐火保护就是一种在火灾中不依托减少火灾的燃烧热释放率或克制火灾增长来实现构造不受高温或火焰严重影响的防火保护措施。它只凭所采用B¾措施自身B¾热特性，将构造构件与高温烟气或火焰隔离或吸取构件所接受的热量，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B¾涂敷材料直接包敷在钢构造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构造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0钢构件包封或覆盖起来,到达提高钢构造耐火能力0¾目0¾o(1)在锅构造构件四面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。这种措施比较可靠，但较适合于钥柞B¾保护。对于梁等其他构件。施-El：1：较麻烦且自重大；对于初期升温很快的火灾也不太合用。这种保护措施在高温作用F易发生崩裂现象。(2)采用硅酸钙板、蛇石板、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,纤维增强一般硅酸钙板日勺使用温度为650。C950°Co其中纤维增强一般硅酸钙板在日本高层建筑中的总用量己达防火材料总量010%。90年代中期德国和丹麦研制0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B¾GF新型钢构造防火板时最高使用温度均可达1100C。蛙石板和珍珠岩板客重小，但使用最高温度只有650C850,很难到达钢构造耐火保护0目的。防火板包敷屏蔽保护钢构造构件具有施工以便、成本低、干法施T和耐久、施工质量易控制等长处，对钢柱、钢粱和楼板均合用，在建筑钢构造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，也是一种很好B耐火包敷材料。这种保护措施可靠、在国外应用比较普遍，且有对应日勺原则，如英国、欧盟、日本和美国等，但在我国应用还不普遍。这种措施对节点处理的规定较高。(3)喷涂钢构造防火涂料，如上海金沙江饭店、世界广场、上海和北京B国际贸易中心大厦。应用防火涂料来增长钢构造的耐火性能是一种比较老式0¾措施。膨胀犁涂料暴露在高温下，其膨胀体积可以到达50倍，有的甚至高达200倍。这样形成的保护层能有教地制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,可以满足钢构造保护B¾需要。(4)在钢构造构件内部充水保护法。这种方式依托火灾时向钢构造构件内部充入循环水进行降温冷却，到达保护钢构造的目的。它需要一套完善时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、火灾时增长构造自重、且构造内部需作耐水腐蚀处理。这种措施国内外均试验不多。总之。在选用钢构造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，使其既能满足功能规定，又其有一定0经济效果。1.2钢构造构件B¾积极防火保护钢构造构件的丰动防火保护是一种采用建筑内的积极消防措施，如采用排烟、自动灭火系统，排除室内热量，克制火灾增长和灭火，在火灾发生后从主线上消除高温和火焰对钢构造构件B¾威胁，以实现保护钢构造B¾措施。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均有其规律和发展过程，见前述。只要在火灾过程中能及时排除积聚在室内0热量，减少其燃烧热释放率.就能防止轰燃B¾发生。实践证明，在建筑物内设置自动灭火设施.能有放地克制火灾的篁延扩66科技资讯SCIENCE&TECHNO1.OGYINFORMATION大或扑灭初期火。这样可以减少室内温度，使建筑构造得到保护，并为人员疏散发明良好的条件与环境。因此，当根据场所内的可燃物性质和也许的火灾规模，构造体系设计和建筑的性质与功能，选用相合用的自动灭火设施，可以扑灭该场所内的初期火而不致使火灾扩大或蔓延时，就可以合适减少对钢构造耐火性能的规定。但应注意，钢构造的耐火保护是对整个钢构造体系而言0,设计时应考虑构造间的传热与内力分布影响。此外，建筑物内设置的灭火设施与否能在火灾时发挥作用，除应按照规范和有关原则规定选用合格产品、保证安装质量外，还与平常与否有良好B维护与运行亲密有关。五、钢构造建筑防火设计0¾意义伴随国民经济的迅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数年来，钢构造在我国建筑中得到了空前0¾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、重型构造和高层建筑。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。但在建成的钢构造或钢一混凝土混合构造建筑中发生火灾的案例已经有不少，如1969年12月上海文化广场火灾后不到20min就使8600m2B钢屋架所有垮塌，1996年昆山市某轻钢构造厂房火灾导致4320m2B¾厂房倒塌。1998年北京丰台玉泉营家俱城火灾导致该建筑整体垮塌。2023年山东威海某医用高分子制品企业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所有倒塌，损失100o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，五层屋架为钢网架构造，其中三层、四层和五层大部分过火.面积达7000m2,导致五楼钢构造屋架倒塌，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B出现不一样程度0¾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。对对应的建筑构件进行耐火设计。但从上述火灾事故状况看，大部分是因钢构造构件未采用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，其中有些构造构件0¾耐火极限是按照现行0有关国家建筑设计防火原则进行的，而实际仍发生了垮塌。这阐明现行规范对钢构造构件B¾防火规定还不甚完善，甚至有些不能很好地满足实际耐火需要。但同步现行的构件耐火性能规定在某些状况下又存在偏于保守0倾向。为此，深入研究钢结建筑构构件B耐火设计措施，提出合理0预测与计算措施，能为科学合理地确定钢构造构件B¾耐火时间，在切实保证钢构造的预定耐火安全水平前提下，尽量地提高构造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0现实意义和社会与经济意义。六、结论参照文献