从钢结构在火灾下的反应谈如何提高钢结构的 抗火性能

胡翠平

（福建农业职业技术学院， 福建 福州 350119）

0 引言

近年来随着经济的发展，大跨度、超高层建筑应运而生，促使钢结构的快速发展。且随着随着房屋密度加大以及燃气、电器的普遍使用，建筑物发生火灾的可能性越来越大火灾给人类带来的危害是巨大的。钢材为非燃烧材料，但钢耐火性能极差，因此，钢结构一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏甚至倒塌。2001年“9.11”事件充分证明了这一点。2001年世贸大厦被撞击后飞机携带大量的燃油向大厦底部流淌，火势迅速向下蔓延，燃烧不久，灼热的高温就通过钢结构迅速传遍整幢大楼，致使大厦承重的钢结构熔化，撞机仅57分钟南楼就彻底崩溃倒塌，而北楼也仅坚持了l小时22分钟，造成了死亡2797人、损失360亿美元的惊世惨案[1]。因此，了解钢结构在火灾下的反应从而提出提高钢结构的抗火性能的方法是非常有意义的。

1 火灾下钢结构的反应

1.1 高温下钢材的反应

在加热情况下，普通钢材的性能随着温度升高而变化。钢材的性能分为物理性能和力学性能。物理性能主要为膨胀系数、热传递系数、比热、密度等。高温作用后钢材的物理性能除了密度，总体上都随着温度的升高而变大，而钢材的热膨胀对极限承载力影响不大但使结构或构件产生变形与附加应力。而钢材的力学性能随温度升高，弹性模量、屈服强度、极限强度随着温度的升高而下降，塑性变形和蠕变随温度的升高而增加。总体上随着温度变化为：在180℃～370℃温度期间内，钢材出现蓝脆现象，此时钢材的极限强度有所提高而塑性韧性降低，材料相对其他温度段比变脆；当温度超过400℃后，钢材的强度与弹性模量开始急剧下降；在500℃时，钢的极限强度和屈服强度极限大大降低；当温度为600℃时EC3指出钢材的名誉屈服强度及极限强度分别为为常温下的0.47及0.36；650℃以后基本丧失其承载力，造成钢结构建筑物部分或全部垮塌毁坏[2]-[3]。

火灾下，热空气主要通过辐射及对流向钢构件传递热量，后在构件内部通过热传导进行传热。同济大学李国强等在钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[2]中指出ISO834标准升温条件下无保护层钢构件截面形状系数为10的构件在火烧,80min时空气温度为988℃时构件温度可达到603℃，随着截面形状系数的增大，则构件达到600℃所需时间越小。因此基于钢材的力学性能则表明火灾下80min后钢构件大部分失去承载力。

基于钢材热膨胀系数随着温度的升高而升高，且钢构件截面形状系数小于10时，构件内部截面温度则处于非均匀分布，因此高温下，可使结够内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀，从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力。例如在约束构件或在刚性框架结构中，由于横梁伸长时受到梁端框架柱的约束，产生随温度升高而增大的约束力，框架柱有被梁从原位向外推开的趋势，从而造成结构的屈曲，甚至引起垮塌，使整个结构受到破坏。

1.2 火灾下整体结构反应

火灾下，整体结构中会产生钢梁的悬链线效应和楼板的薄膜效应。悬链线效应[4]：指在火灾下，若结构能够保持整体的稳定，钢梁会产生大变形，梁将从受弯转变为受悬索作用，从而使梁得到很大的承载力。此效应可以抵消钢梁由于温度膨胀产生的轴向应力，还可以提高钢梁抵抗横向荷载的能力。薄膜效应[6]：指在火灾下，部分钢梁和压型钢钢板丧失承载力时，楼板虽会产生很大变形，但依靠板内钢筋网形成的薄膜作用还可继续承载，并不会发生楼板坍塌现象。这是由于楼板通过产生大挠度使其从原来受弯承载转变为受拉承载，从而提高了抗火承载力。

2 提高钢结构抗火性能的措施

基于钢构件的材料在高温下的性能，提高钢结构的抗火性能有两种，即改变钢材在高温下的性能或进行对构件采取防火保护措施。

防火保护措施方面[1]，其基本原理就是使构件在规定的时间温度升高不超过其临界温度。当前防火保护方法主要可分为两大类：截流法和疏导法。截流法是通过阻止热量向构件传输，主要包括喷涂法、屏蔽法和包封法等方法；而疏导法允许热量传到构件，再把热量导走来达到目的，目前只有充水冷却保护这一种方法。具体为：

1）喷涂法，指直接在构件表面喷防火涂料、防火喷射纤维等隔热材料。该方法有施工方便、装饰性好、成本低、无环境污染、后期维护工作量小等优点，目前是钢结构防火保护的最佳选材。

2）屏蔽法，则把钢结构包藏在耐火材料组成的堵体或吊顶内。

3）包封法，在钢结构表面用现浇混凝土、防火板、耐火砖、矿物纤维、砂浆或灰胶泥等做耐火保护层把钢构件包裹起来，从而起到防火作用。

4）充水冷却法指将钢构件制成空心体，在空心钢构件内填充经处理后的水，一旦发生火灾，让水循环带走热量，保护钢构件，达到提高耐火极限目的。因此方法要考虑水对钢材的腐蚀、水的静压及水的循环控制系统及施工方面等问题，故不太适合采用。

以上方法，理论上都可以取得防火的目的，可以延长构件在火灾下保持其承载力的时间，但在过程中需要考虑采取防护措施后结构增加的重量及占用的空间，防护材料的可靠性，施工难易程度和经济性等因素的影响。

改变钢材在高温下的性能反面，当前国外有对耐火钢及不锈钢进行研究。耐火钢[2]高温下的物理性能与普通结构钢相似，力学性能方面有较大的改变。耐火钢做成的构件高温下屈服强度高出普通结构钢甚多。600℃时，构件用耐火钢的屈服强度高于2/3室温强度，弹性模量任保持室内时的75%以上。但耐火钢在使用上整体来说是不经济的。

对于整体结构，为了提高整体钢结构的抗火性，应加强对承重构件的材料的防火保护措施；但因为在构件内部是通过热传导进行传热，且钢材的导热系数大，建议在承重构件与非承重构件的连接件上使用耐火钢来链接，从而可以减小非承重构件的防火保护的费用。

3 结论

（1）钢材在高温下的物理性能随着温度的升高大致呈增长趋势，力学性能随着温度的升高而降低；（2）火灾下，构件内部以及整个建筑结构中产生不均匀的热膨胀，从而使构件内部及整个结构中产生很大的附加应力；（3）火灾下，整体结构中会产生钢梁的悬链线效应和楼板的薄膜效应；（4）当前国内很多学者对钢结构的防火方面的研究主要集中在延迟钢构件材料达到失去承载力温度，而做出相应的防火措施；（5）对钢结构整体构件的抗火设计方面的研究，当前国内比较缺乏文献。