小议钢结构建筑构件的防火措施

彭伟宣

（安徽水利开发股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 前言

随着我国经济快速的发展及建筑技术的日新月异，钢结构形式以其重量轻、强度高、韧性好、承载力大、施工简便、施工周期短、布局灵活、可回收利用等优点广泛应用于超高层建筑、体育馆和大型厂房等工业与民用建筑结构中；但由于钢结构的耐锈蚀性和耐火性较差，存在不耐火的致命弱点，一旦发生火灾时极易发生倒塌，造成重大的人员伤亡和财产损失，其防火问题备受人们的关注。本文从钢结构的物理特征和力学特征的两个角度分析其特点，并从主动和被动两个方面提出防火措施。

2 钢结构的特征

2.1 物理特征

2.1.1 热膨胀系数

当温度升高时，钢结构要发生膨胀，对截面温度均匀分布的静定结构而言，热膨胀只对变形有影响，不会产生附加内力。但建筑构件的膨胀收到约束时，会产生加内力。钢的热膨胀系数随着温度的升高而变化，但幅度不大。

2.1.2 结构钢的比热容

比热容是指其单位体积内所储存的热量，当其所吸收的热量一定时，比热容越高，材料的温度上升的越小。组成钢材的铁、碳、锰、硅等其他各种合金元素的比热容各不相同。一般情况下，他们都是随着温度的上升逐渐增大，但相差幅度较小。

2.1.3 结构钢的导热系数

钢材的导热系数是指单位时间内单位长度每上升一度所需要的热量，纯铁的导热系数比较大，钢材随着碳量和合金量的增大，导热系数逐渐减少。合金含量较多的钢材，导热系数随着温度上升缓慢增加，碳钢和低合金钢的热传导系数随着温度上升单调减少，变化率逐渐变小。

2.2 结构钢的力学性能

2.2.1 泊松比

结构钢的泊松比受温度的影响较小，普遍认为高温下结构钢的泊松比可取与常温下相同。

2.2.2 应力-应变关系

研究高温下钢材的应力-应变曲线是进行其力学性能分析的最重要的内容。高温下钢结构的总应变包括三个部分：应力变化的瞬间应变、蠕变及热膨胀引起的应变。总应变与应力过程和升温的速度相关，不同升温速度下应变的增长是有区别的。钢材力学性能的一个重要特点就是高温蠕变，但蠕变的情况比较复杂，当建筑的升温速度在5-50℃/分钟的范围内，且建筑温度不超过600℃时，蠕变比较小。

2.2.3 高温特性

无保护层的钢结构在高温条件下存在强度降低和蠕变现象，对建筑用钢而言，260℃以前其强度不降低；260-280℃开始下降，达到400℃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。

3.钢结构建筑的防火措施

从建筑防火理论看，一致认为有主动防火和被动防火两大体系；本文涉及的钢结构建筑构件的防火措施也从被动与主动两个角度进行分析。

3.1 钢结构建筑的被动防火措施

所谓被动耐火保护是指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。

（1）浇筑混凝土或砌筑耐火砖

在钢结构构件四周浇筑混凝土或砌筑耐火砖，这种方法比较可靠，但较适合于钥柱的保护；对于梁等其他构件，施工比较麻烦且自重大；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下易发生崩裂现象。

（2）包封法

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。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℃。但蛙石板和珍珠岩板容重小，但使用最高温度只有650℃～850℃，很难达到钢结构耐火保护的目的。

（3）喷涂钢结构防火涂料

钢结构防火涂料是指涂装在钢构件表面，增大绝热性能以推迟结构失稳或力学强度降低的时间的涂料。在受到高温或火焰作用时，足够厚的防火涂料层对钢材起到屏蔽作用，使构件不直接暴露在火灾中，防火涂料吸热分解放出水蒸气或二氧化碳气体，能消耗热能，对降低火焰温度和燃烧速度具有一定作用。室内钢结构上的防火涂料也存在起皮脱落、龟裂等情况；在施工过程中还存在涂层厚度达不到要求、涂料选型不当、以次充好等问题。这些因素对钢结构耐火保护带来的隐患，是当前选用防火涂料喷涂保护方法必须慎重考虑和控制的。

（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，又具有一定的经济效果。

3.2 钢结构建筑的主动防火措施

钢结构构件的主动防火保护是一种采用建筑内的主动消防措施，在火灾发生前进行设计，从而期望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。

（1）正确界定建筑的耐火等级

各种建筑由于其使用功能和重要性不同，火灾危险性存在差异，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑的耐火等级。如果在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成设计失误，过高造成浪费，过低则造成不安全。

（2）自动灭火系统

在建筑物内设置自动灭火设施，能有效地抑制火灾的蔓延扩大或扑灭初期火；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；自动喷水灭火系统是当今世界上公认的有效自救灭火设施，适用于扑救大部分工业与民用建筑物内的初火期；自动喷水灭火系统的动作温度从57-343℃不等，依据设置场所的环境条件而定。对于常见的工业与民用建筑，常采用68℃。

（3）钢结构水喷淋法防火

水喷淋法是在结构的上部设置水喷淋管网和喷头。当发生火灾时，水喷头受热后自动打开并向构件喷水，使其表面形成连续的流动水膜，可带走大量的热量,使得钢结构构件的温度不至于过高，由此提高结构的耐火极限。

（4）进行有效的防火分区

在钢结构建筑物内部进行有效的防火分区，可以防止火势向其他区域蔓延、扩散。防火分区在普通民用建筑中较易实现，如在门、厅、楼梯等处采取一些技术措施。如用防火墙、防火门、防火卷帘加水幕。

（5）充分考虑人员疏散问题

由于钢结构建筑自身的弱点，在合理防护的基础上，设计时还要充分考虑人员疏散的因素，将人员密度指标和钢结构建筑的特点综合起来考虑，加强对安全疏散路线、疏散距离、疏散宽度的设计要求，保证人员疏散时间小于建筑构件的耐火极限，确保火灾时人员能安全逃生，以最大限度地减少人员伤亡和财产损失。

4 总结

防火设计在钢结构建筑中是非常重要的，一旦发生火灾，带来的后果是极其严重的。因此，在设计钢结构构件前，要根据建筑物的实际情况，准确地使用规范，采用主动防火措施和被动防火措施，将火灾造成的损失和伤害减小到最低程度。

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