近年來,我國社會經(jīng)濟的發(fā)展突飛猛進,隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展也致使各類建筑業(yè)的得到了空前的繁榮,一些大跨度、超高層建筑應(yīng)運而生。建筑物中運用鋼結(jié)構(gòu)種類越來越多,廠房、住宅、橋梁、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑也越來越廣泛運用鋼結(jié)構(gòu)材料。鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕,強度高,施工快等獨特優(yōu)點,因此對高層、大跨度,尤其是超高層、超大跨度,采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展,在我國取得了不少成就。第一,鋼結(jié)構(gòu)建筑的數(shù)量不斷增加,應(yīng)用范圍不斷擴大,如:2008年奧運主體育場“鳥巢”,世界第三高度420米的上海金茂大廈,具有國際領(lǐng)先水平的深圳賽格大廈72層、高度291米全部采用鋼管混凝土柱,采用國產(chǎn)鋼材、國內(nèi)設(shè)計、施工的大連世貿(mào)中心,跨度216米的公路鐵路兩用低塔斜拉橋的蕪湖長江大橋,上海寶鋼大型軋鋼廠房,咸陽市也建成了西北地區(qū)首座鋼結(jié)構(gòu)商住樓麗彩廣場C座,三十二層,建筑高度98米,成為現(xiàn)代咸陽的標志性建筑。第二,鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷改進。由于以前鋼材使用受限制,建筑采用傳統(tǒng)的模式,而現(xiàn)在出現(xiàn)了鋼管、圓管、鋼構(gòu)混凝土等,要求結(jié)構(gòu)的節(jié)點也隨之變化,管管相接。材料上,有高強度的鋼,厚板鋼材,玻璃,不銹鋼,鈦合金。施工上也有新的工藝。鋼結(jié)構(gòu)在我國具有極大的發(fā)展空間,國外鋼結(jié)構(gòu)建筑使用鋼材占鋼材總量的10%左右,而中國僅占4%左右,我國的人均鋼材占有量剛達到世界人均水平100千克左右,日本人均鋼材占有量是400-500千克,有一定差距?,F(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)建筑只占建筑總量不足3%的比例,發(fā)達國家已占30%~50%。我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展具有較大的空間和潛力,伴隨著建筑市場的持續(xù)發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展將得到進一步的推動。中國處于全面建設(shè)的高峰期,正大量消耗著全球的自然資源。鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比,它環(huán)保且更利于建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑在現(xiàn)代建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)耐火性能低,如何提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能對于建筑的安全性至關(guān)重要。
二、鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)特點
在加熱的情況下,鋼材的力學(xué)性能隨著溫度的升高而變化。一般表現(xiàn)為彈性模量、屈服強度、極限強度隨溫度的升高而下降,塑性變形和蠕變隨溫度的升高而增加。在200℃~350℃時熱軋鋼出現(xiàn)所謂的“藍脆”現(xiàn)象,此時鋼材的極限強度提高而塑性降低,與其他溫度段相比變“脆”。在500℃時,鋼的極限強度和屈服極限大大降低,塑性增大。在450℃~600℃ 時,碳化物趨于石墨化和球化。石墨化的產(chǎn)物是由于碳化鐵分解,生成游離的石墨粒的結(jié)果。如果加熱的溫度越高,時間越長,鋼的含碳量越高,則碳化物的球化便越劇烈。存在石墨化和球化,表明鋼在高溫下弱化了,力學(xué)性能降低。合金材料的加入一般會使鋼的上述變化需要的溫度提高。試驗結(jié)果表明:在200℃以內(nèi)強度變化不明顯,屈服強度略有下降,而極限強度基本沒有變化。200℃以后屈服強度隨溫度升高而降低的速率開始加快。極限強度在200℃~300℃由于出現(xiàn)“藍脆”而較常溫下略有提高,300℃以后極限強度隨溫度升高明顯降低。在600℃時,低碳鋼的屈服強度和極限強度均只有常溫時的35%~40%,而碳素鋼絲的強度更低。隨著溫度進一步升高,在800℃時鋼材的強度基本消失。同時鋼材的伸長率和截面收縮率隨溫度升高面增大,表明高溫下鋼材的塑性性能增大,易于變形。此外,鋼材在一定溫度和應(yīng)力作用下,隨時間的推移會發(fā)生緩慢變形,即蠕變,蠕變會導(dǎo)致材料松馳。
鋼材在高溫下屈服點降低是決定鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的重要因素,如某一鋼構(gòu)件在常溫下受荷載作用應(yīng)用值是屈服點的一半,但火災(zāi)時由于鋼材在火災(zāi)高溫作用下屈服強度降低,當實際應(yīng)力值達到了降低了的屈服強度時就表現(xiàn)出屈服現(xiàn)象而破壞,使結(jié)構(gòu)承載能力急劇下降,造成鋼結(jié)構(gòu)建筑物部分或全部垮塌毀壞。這類典型的火災(zāi)案例有,2001年世貿(mào)大廈被撞擊后飛機攜帶大量的燃油向大廈底部流淌,火勢迅速向下蔓延,燃燒不久,灼熱的高溫就通過鋼結(jié)構(gòu)迅速傳遍整幢大樓,致使大廈承重的鋼結(jié)構(gòu)熔化,撞機僅57分鐘南樓就徹底崩潰倒塌,而北樓也僅堅持了1小時22分鐘,造成了死亡2797人、損失360億美元的驚世慘案。2003年4月5日,青島市即墨正大食品有限公司廠房發(fā)生火災(zāi),在高溫作用下,鋼結(jié)構(gòu)屋架僅僅約30分鐘便轟然倒塌,導(dǎo)致20多名員工被埋壓在廠房內(nèi)遇難。目前,在建筑領(lǐng)域已采取了多種方式對鋼結(jié)構(gòu)進行保護,鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各類防火措施也孕育而生。
二、鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性能提高方法
建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火保護措施按照其防火行為來分主要分為主動防火和被動防火。主動防火主要是指水噴淋法以及消防員的滅火行為,即主動地控制建筑發(fā)生火災(zāi)的趨勢。被動防火即不包括滅火行為采取其他形式提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限的一種防火保護方法。從熱量傳輸原理上來說,鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施可以分為截流法和疏導(dǎo)法。
1、水噴淋法。水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng),火災(zāi)時,自動啟動(或手動)開始噴水,在構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜,從而起到保護作用?! ?/p>