钢结构梁柱防火保护设计及造价控制研究

曲升级

（烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264005）

0 钢结构的耐火性能与耐火极限

钢结构尽管是不燃材料，但对气温变化相当敏感，特别是抗压抗拉强度有急剧变化。当气温聚变时，钢材力学指标变化很大。研究发现，在火灾温度下，未加保护的钢结构梁柱节点只需短短十五分钟，其温度就可达到540℃。另外，其载荷能力、屈服强度、弹性模量等关键指标均快速下降。钢构件高温耐火试验证明，钢梁、钢柱、钢屋架等主要受力构件的耐火极限在15分钟到30分钟之间，这根本不能满足火灾情况下对建筑防火的要求。火灾发生时首先是梁柱节点破坏，作为钢结构受力关键点也是框架最薄弱的地方，梁柱节点的破坏最后导致整个建筑的坍塌。既然钢构件的耐火极限距离防火规范的要求相差很大，我们既要充分利用钢结构的轻质高强为生产服务，更要对钢结构特别是梁柱节点等关键部位进行耐火防火设计，在火灾中延缓构件升温，保护生命和财产安全。

1 梁柱节点抗火研究的方法

目前，主流研究梁柱节点的耐火防火方法方法有建立有限元耐火试验分析及现场高温试验两种：后者高温试验数据准确，真实反映钢结构节点的耐火防火性能，但是缺点很明显就是浪费材料，钢结构构件价格高，试验成本太大；有限元分析既可以模拟高温下的节点性能，又减少时间和经费。目前有限元分析集中研究平面钢框架节点试验及后期数理推导，对钢框架中的梁柱节点空间性能研究较少，定量分析数值计算及数理推导模拟分析。

2 钢结构空间梁柱节点抗火性能的研究

在实际钢框架结构中，根据节点在空间上位置的不同，将空间框架中的节点分为四种，分别为角节点，中节点和两个方向上的边节点。在有限元模型验证的基础上，对四种空间框架的梁柱节点连接进行了有限分析，从变形上看[1]：1）对于框架中有主次梁连接的柱翼缘，与主次梁的上翼缘对应处柱翼缘分析时受火向外凸，与主次梁下翼缘对应的柱翼缘分析时受火向内凹。2）对于没有梁连接的柱翼缘，其变形较小且较均匀。3）4种空间钢框架节点，与梁连接的柱翼缘的变形形态是一致的，且较无梁连接的柱翼缘变形大。空间框架边节点和角节点在火灾作用下，随着温度的上升，转角增加较快，即较易受到破坏；实际连接时H型柱腹板端载荷大于梁端载荷时，发生火灾下角连接节点更易受到破坏。

3 钢结构梁柱防火保护中存在问题

首先，防火涂料选型单一。根据我国《钢结构防火涂料应用技术规范》规定，具体在施工时候根据室内和室外进行区分，室内钢构件裸露在外，起到装饰作用和轻钢骨架屋檩等构件耐火时间在一个半小时以内选用薄涂料；对比室外隐蔽钢构件，主要受力构件、多层及高层钢结构耐火时间一个半小时以上选用厚涂料防火。厚涂料开始膨胀系数很少基本不产生膨胀，具有非常良好的阻燃性。然而在实际中，很多施工企业仍然是采用简单的膨胀型发泡，并不能根据不同钢构件应用类型的钢结构来选择不同的防火涂料。具体厚度施工时候难以具体检查，也缺失相关的检测措施。实际在具体工程进行时，防火涂料生产单位为追求经济利益，跟质检部门采取周璇的办法，所提交的检测样品都是合格的。他们有一套独立的生产体系，流向市场的是另一套，生产出来的产品有些是不合格产品。最后是相关检测机构执行标准不严格，缺少统一的执行标准。工程竣工前，我国消防部门一般会要求进行防火涂料性能检测，或者委托中介进行检测，这存在很大的制度漏洞：相关检测单位在利益驱使下没有严格执行相关标准，对随机抽样检验、特定检测部位、涂料主要性能、涂层厚度方面没有严格把关。

4 钢结构防火保护对策

首先，梁柱节点主要采取隔离或阻断方式。采用隔热材料延缓火焰灼烧或吸热材料阻断火焰，延缓热量向钢构件传播的速度，延缓钢构件温度上升及产生各种力学性能变化的时间。具体方法分传统和现代防火技术。在传统防火设计中，主要采用的方法有以下几个[2]：首先是在钢构件四周浇筑混凝土，封闭钢构件。这种方法比较简便，混凝土也比较容易获得，在其成型后更是坚固耐用。但是，混凝土层在烈火作用下会因消防水喷射造成破裂和剥落，并且这种用混凝土构造起来的保护层厚，重量大，施工费用还高。所以，现在只有底层或一层采用这种方法。第二种方法是采用质量较轻的防火建材外包钢构件。比如玻璃纤维水泥板、建筑石膏板、硅酸钙板、等非燃材料的板材。这些材料包装施工费力，且包装材料强度较差，极其容易损坏。

现在，钢结构防火主要是是喷射外表面保护层和外刷喷涂料。目前最新趋势是将钢结构喷射保护和钢结构防火涂料喷涂两种方法有机结合。通过高压枪将防火涂料喷射到钢构件的外表面，这样钢结构外表面形成一层耐火隔热层。钢结构喷射保护技术主要是喷射无机纤维防火护层材料，这种防火保护技术尤其适用于耐火极限要求比较高的高层钢机构。

5 钢结构造价控制措施

价格波动范围的影响。应对当前近三个月钢构件主要市场价格进行分析比对，仔细分析研究市场走势，当遇到国家政策调整、国家财政政策性变动、原材料供应市场、国际材料市场供需变化等均会造成市场价格波动，密切关注大型生产基地，对材料供应方进行实地询价，确保主要材料在投标时不会出现较大的波动，合理进行预判及调整，以避免在施工中出现价格上涨导致延误制作和安装，减少利润甚至亏损。

喷射防火涂层施工的影响。钢结构关键是防腐防火涂料的涂刷及工艺检测，施工质量的好坏直接影响建筑外形美观，由于涂层不合格导致复工，增加总造价。通常在钢结构细化环节会详细说明具体做法及要求，质量检测合格标准在实际中是有着严格的要求[3]：一是涂层喷射要求。防火防腐涂料、外加剂的生产日期、规格、型号符合图纸标准要求，进场一定要检查产品三证：产品合格证、产品质量合格文件和检验报告。二是涂装基础层。喷射涂装前，表面应进行除锈喷砂喷丸处理，外表面进行除锈，经检测符合除锈标准及设计图纸要求，外表面进行喷砂或喷丸处理后，钢构件表面光滑细腻，绝对禁止处理后仍出现氧化皮、油污、焊熘等。三是关于喷砂厚度、涂层厚度、涂层质量等均应符合相关标准和设计要求。

6 钢结构人机成本分析

组装部件的制作中，人工费所占比例较大，市场波动也大，对内部人工费标准根据企业定额进行合理调配，普工、特工、高级工合理搭配。不同工种、不同设备、不同工艺、不同部位工资拉开档次。人工费适当考虑一些津贴、加班补贴、高温津贴、紧急雨季防护费、职工福利费、劳保费等，并且钢结构施工单位有自己的标准，测算时考虑一定的幅度，人事部门还应该考虑当前市场人工费价格，对多年工作的老职工增加一定的补助，适当引入学徒制，减少人工费的支出，合理控制人工费。

机械费在实际中变化很大，分别考虑机械租赁，还是自有，特别是机械租赁，合理安排机械使用，尽可能减少台班数，适当三班倒或两班倒，增大机械使用效率。实际分析造价控制时需要考虑分摊这部分租赁费用和使用费用，而钢结构吊装等施工企业本身具有齐全的机械设备，具体操作时每天都非常清楚费用的花费，特别是维护费、保养费等都适当摊销在相关费用内。

[1]刘冰,高歌.空间钢框架节点高温下的有限元分析.施工技术,2014（27）:45-49.

[2]江雪玲，魏德敏.钢结构高温响应影响因素的研究.防灾减灾工程学报,201（1）:111-115.

[3]王传伦,郑伟.浅谈轻型钢结构厂房工程造价的控制.财务与审计,2010(5):72-73.