0 引言
钢结构通常是指通过热轧、冷弯或者焊接的钢材连接起来,以达到承受和传递负荷的结构形式.钢结构体系以其独有的安装快捷、抗震性好、施工周期短以及生产自动化等优点,广受建筑行业的青睐.在全球范围内,钢结构建筑已经得到了广泛的应用.然而,钢材虽然为非燃烧材料,但是钢材不耐火,温度达到500 ℃ 时,钢材的屈服强度将下降至正常状态下的一半,一旦其温度达到 600 ℃,钢材的大部分强度和刚度都会丧失,给人们的生命及财产安全带来极大的损失.例如: 1993 年在我国福建省泉州市的一座钢结构冷库中,曾经发生火灾,直接导致了近 3 600 m2的库房坍塌; 而众所周知的 2001 年"9·11"恐怖袭击案件中,世界贸易组织大厦110 层钢结构大楼也引起坍塌.图1 则为美国世贸中心火灾.故而,为了能够最大限度地保护国家和人民生命财产安全,切实做好钢结构建筑的防火工作时不我待.本文针对此,分析当前我国国内钢结构面临的现状,以及我国传统的钢结构防火设计,进而提出钢结构条件下的防火策略,以供业界同仁共同研究.
1 我国钢结构建筑的现状及面临的危机
1. 1 我国钢结构建筑的现状
当前,世界范围内,工业发达国家的建筑用材大多为钢结构,其建设用钢量基本占到全国钢产量的 1/3 以上.我国钢结构建筑从整体上看处于快速增长的趋势,但比起发达国家来说还是有一定的滞后.究其原因,可以认为有两点: 其一是经济的原因,其二是传统建筑的影响.而对于建筑而言,我们不仅仅要考虑各个建筑结构形式的造价问题,也要考虑各个结构的优势所在,最终得到一个综合的经济效益观.钢结构的建筑与混凝土结构的建筑相比,其综合造价差价比例很小,一般只是整个工程投资的3% ~ 5% .而考虑到钢结构工程的施工速度快、工期短以及抗震性好的原因,钢结构与混凝土相比要略胜一筹,更具有综合经济效益.我国国内的钢结构建筑的主体地位已经越来越明确.
1. 2 我国钢结构建筑面临的危机
尽管我国钢结构产业已经取得了可喜的进步,但是其发展的力度远远不够.而与发展接踵而至的则是突出的安全问题.正如前边所述,钢的耐火性差.在火烧 15 min 左右,既会使得构件如同面条一样脱落,又使得局部结构遭到破坏.随之而来的可能是整体的结构遭受破坏,给人们生命财产带来重大灾难.我国钢结构建筑面临的这种危机已经迫在眉睫,如何才能有效的保护钢结构建筑,使之免受火灾之痛,是非常值得探讨的大问题.为此要做好建筑的防火设计.
2 钢结构条件下建筑的防火设计
2. 1确定钢结构建筑的防火等级.
建筑物的耐火等级是对建筑物进行防火设计的重要依据之一.长久以来,建筑物的防火问题是工程师考虑的首要问题.而最重要的基础防火设施必须要妥善处理: 建筑的防火分隔、建筑的避难层设置、安全出口的设置.而钢结构建筑的构件在火灾中如若遭到破坏,则会严重影响到人员的安全.为此,我国规定了各类建筑结构构件的安全等级.耐火等级定得偏高,则施工的成本加大,造成不必要的浪费; 定得偏低,则消防安全会受影响.因此,要合理确定钢结构建筑物的耐火等级.
2. 2 设计时要做到以人为本
对于钢结构建筑物,无论其设计的多么完善,在发生火灾时还会出现意想不到的问题,因而,在这种百密一疏的情况下,必须要充分考虑到人员的疏散问题,做到以人为本.在设计人员疏散时,务必要将钢结构建筑的特点和人员密度指标综合起来考虑.
在此基础上,务必加强对安全疏散路线、疏散宽度和疏散距离的设计要求.一旦发生火灾,在钢结构构件达到耐火安全极限的时间里,能够有效的疏散建筑物中的人员,使人们安全脱离火灾,避免群死群伤火灾事故的发生.当然,除了发生火灾时人员的安全疏散,在平时也必须切实制定好消防安全管理制度,要适时检查火灾自动报警系统和自动化灭火装置是否完好有效,消防监督检查是否到位,切不可因一时大意疏忽酿成悲剧.
3 钢结构条件下的建筑防火策略
钢结构条件下的建筑防火有着重大意义.第一,钢结构的防火保护目的是尽可能的延长钢结构达到临界温度的时间,以争取一切的时间救人; 第二,避免钢结构在整体结构坍塌时造成人员伤亡; 第三,减少钢结构在火灾后的修复成本,使得修复周期缩短,减少造成的直接和间接经济损失.
主要有如下几种方法.
3. 1 截流法
截流法主要包括三种具体方法:
1) 喷涂法,即是利用喷涂机直接将防火涂料喷在构件表面,以形成保护层来隔断火源.这种方法的适用范围相当广泛,可以适用于任何构件.
2) 包覆法,即在构件的外层覆盖浇筑混凝土或者耐火砖,将钢构件完全封闭,从而避免与火焰直接接触,从而延长温度的上升时间,保护钢结构建筑.这种方法施工简单,但是会影响建筑物美观,并且要求具有一定的空间.
3) 屏蔽法,即把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或者吊顶内,火灾时同样延缓了升温时间,并且这种方法能够增加室内的美观.需要注意的是,在做吊顶和墙体时一定要注意接缝和空洞.一旦出现要及时封闭,以免发生火灾时火苗窜入,引起钢构件受损.
3. 2 疏导法
截流法的目的是设法将钢构件与外界火源隔离.而疏导法的原理截然不同,其允许热量传到构件上,然后设法将热量从其他地方传递出去或者消耗掉.这样也可以达到使构件温度不高于临界温度的目的,从而保护钢结构.疏导法目前主要是冷却水保护这一方法.具体操作是: 在建筑的空心封闭截面中注水,发生火灾时能够使得钢构件把吸收火场里的温度可以及时传递给水,同时依靠水的蒸发和水的循环将热量导出去.这样构件的温度则会最多维持在 100 ℃左右.其实,从理论上来讲,这是保护钢结构最为有效的办法.在发生火灾时,系统相当于盛满了水的加热容器,像开水炉一样工作.根据水的比热和汽化热比较大,发生火灾时构件吸收的热量会源源不断的被消耗和排出去.需要注意的是,要保障有充足的水源和足够的水位.当然,冷却水的供给可以由高位水箱或者地下水,甚至是消防车来补给,水蒸气则由排气口排出.当水柱的位置过高时,可以将冷却水系统分为多个循环系统来冷却,以防止柱底的温度过高.同时,为了防止管柱的锈蚀和水的结冰,还可以向其中定期加入阻锈剂和防冻剂等.
3. 3 涂防火涂料法
实际上,涂防火涂料的方法与第一种方法类似,都是以隔断钢结构和火源为目的的.只不过覆盖法是利用混凝土或者耐火砖作为隔绝物,而此种方法则是用防火涂料作为隔绝物.当然,业界公认涂防火涂料法是最为有效的措施之一.钢结构的涂料一般可按照所作用的基料不同分为有机防火涂料和无机防火涂料两种.而按照涂层的不同又可以分为超薄型、薄涂型和厚涂型三种.例如: 上海希尔顿宾馆中采用的防火涂料为蜓石板.其最高使用温度约为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 ℃.北京的国际贸易中心大厦使用的防火涂料则是一种膨胀型涂料,这种涂料在高温下能够膨胀至 50 倍,有的甚至能达到 200 倍,从而有效的阻隔了热量的传导.这也值得许多高层建筑防火单位借鉴.
4 结语
国内外针对钢结构条件下的建筑防火策略已经研究颇久.随着我国经济和社会的发展,钢结构建筑也渐渐成为业界主流.
相应的国内关于这些领域的研究也颇有建树.本文通过总结目前我国钢结构建筑的防火设计,进而提出钢结构条件下的建筑防火策略,具有实际的参考价值.相信经过国内同仁关于此领域的不断研究,会有更多的成果应用到实际工程中去.
参考文献:
[1] 杨永新. 钢结构建筑的防火保护措施探讨[J]. 科技创新导报,2011( 29) :32.
[2] 冯 琳. 钢结构建筑的防火问题浅析[J]. 科技风,2012( 10) :49.
