1 問題的提出
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[1]。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,在較短的時間(10~20 min)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)的防火是一個不可回避的安全問題。
2 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,屈服強(qiáng)度為常溫下的82.3%;在400。C時,屈服強(qiáng)度為常溫下的49.8%;在600℃時,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,彈性模量為常溫下的95.9%;在400℃時,彈性模量為常溫下的83.1%;在600。C時,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,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。
3 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5~10 cm才能達(dá)到1.5~3 h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、綜合造價低等優(yōu)點(diǎn)。目前,這種方法正逐步得到廣泛應(yīng)用。