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结构用钢高温力学性能分析及防火技术措施

随着工业技术的进步和人民生活水平的提高,建筑中对大跨度空间结构及超高层钢结构的需求不断增加,而钢材是能够满足上述结构要求的主要轻质高强材料之一。目前,我国建筑造型的多样化、多功能化趋势,使得钢结构有了更大的发展空间。由于钢结构构件截面宽展、瘦长,钢材的导热系数大(约为混凝土的40倍),以及钢材的力学性能对温度的敏感性等原因,火灾对钢结构的威胁远大于钢筋混凝土结构。一旦发生火灾,钢结构的承载能力降低,变形增大,在较短的时间(10~20min)内就能达到极限状态以至发生破坏。因此,相对于钢筋混凝土结构而言,钢结构的防火是一个不可回避的安全问题。 
    结构用钢高温力学性能分析 
    以在实际工程中最常用的钢材Q235钢为例,其屈服强度和弹性模量与常温下对应值之比随火灾温度变化的曲线。 
    在火灾条件下,Q235钢的力学性能与常温下相比,有明显不同。 
    (1)屈服强度随火灾温度的升高而降低。在200’C时,屈服强度为常温下的82.3%;在400。C时,屈服强度为常温下的49.8%;在600℃时,屈服强度只有常温下的20.4%。 
    (2)弹性模量随火灾温度的升高而降低。在200。c时,弹性模量为常温下的95.9%;在400℃时,弹性模量为常温下的83.1%;在600。C时,弹性模量只有常温下的17.1%。 
    由此可见,钢材虽为非燃烧材料,但不耐火。在火灾高温条件下,结构钢的强度和刚度都将迅速下降。因此,当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾,结构很容易发生破坏。例如,2004年10月,河南省某市一家电量贩发生火灾,钢结构屋顶被烧整体倒塌,造成2人被埋压致死。把安全工程师站点加入收藏夹 
    钢结构防火技术措施 
    3.1设置防火屏障 
    在钢构件的迎火面设置防火屏障,将钢构件与火焰隔开,如图2所示。例如,在钢梁下面安装防火平顶,在钢柱外侧设置一定宽度的防火板等。采用这种方法,应特别注意接缝、孑L洞处的密封性,防止窜火。 
    3.2砌筑耐火砖或浇筑混凝土 
    采用砌筑耐火砖或浇筑混凝土完全封闭钢构件,如图3所示。这种方法的优点是强度高、耐冲击;缺点是占用的空间较大。例如,用C20混凝土保护钢柱,其厚度为5~10cm才能达到1.5~3h的耐火极限。另外,这种方法施工也较麻烦,特别是在钢梁、斜撑上,施工十分困难。国内石化工业厂房过去大多采用砌砖方 
    3.3外包耐火轻质板材 
    采用耐火轻质板材作为防火外包层。
耐火轻质板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸钙、蛭石、陶瓷纤维、岩棉、砾石这些耐火、无毒的物质,加工成板材以后,通过不同的构造方法制成保护层。板材保护的做法有直接包裹或贴敷、使用加固铁件连接、软性材料缠绕等。例如,有采用软性的陶瓷纤维毡缠绕在钢构件上的,有使用掺无机纤维硅钙板、蒸压轻质混凝土板、无机纤维强化石膏板、挤压成型水泥、预制混凝土板直接贴敷的等。 
    采用耐火轻质板材作为防火外包层,具有表面平整、装饰性好、施工方便以及占用空间少、综合造价低等优点。目前,这种方法正逐步得到广泛应用。 
    3.4设置喷淋供水管网 
    在钢结构顶部设喷淋供水管网,火灾时自动(或手动)开启喷水,在钢构件表面形成一层连续流动的水膜,从而起到保护的作用。 
    3.5喷涂防火涂料 
    用喷涂机具将防火涂料直接喷涂于钢构件表面,形成保护层。这种方法施工简便,重量轻,耐火时间长,而且不受钢构件几何形状限制,具有较好的经济性和实用性。 
    根据高温下涂层变化的情况,钢结构防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型两个系列。 
    (1)膨胀型防火涂料 
    膨胀型防火涂料,又称薄型防火涂料,涂层厚度一般为2~7mill,耐火极限可达0.5~1.5h。膨胀型防火涂料的基料为有机树脂,配方中还含有发泡剂、碳化剂等成分,遇火后自身会发泡膨胀,形成比原涂层厚数十倍的多孔碳质层。多孔碳质层隔热性能极佳,可阻挡外部热源对基材的传热,构成绝热屏障,保护钢构件不受火灾的损毁。 
    膨胀型防火涂料具有涂层薄、重量轻、抗振性好、装饰性好等优点,缺点是施工时气味较大,涂层易老化,若处于吸湿受潮状态会失去膨胀性。 
    (2)非膨胀型防火涂料 
    非膨胀型防火涂料,又称厚型防火涂料,其主要成分为无机绝热材料,遇火不膨胀,自身具有良好的隔热性。非膨胀型防火涂料,利用涂层固有的良好的绝热性,以及高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用,来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递,从而延缓钢构件达到临界温度的时间。非膨胀型防火涂料,涂层厚度一般为7~50mm,耐火极限可达0·5~3h。非膨胀型防火涂料一般不燃、无毒、耐老化,耐久性较可靠,适用于永久性建筑中。 
    非膨胀型防火涂料分为两类:一类以矿物纤维为骨料采用干法喷涂施工;另一类是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为骨料,采用湿法喷涂施工。 
    采用干法喷涂纤维材料,涂层容重轻,但施工时容易散发细微纤维粉尘,对施工人员和建筑物内工作人员可能造成健康影响,施工环境较差。另外表面疏松,只适合于完全封闭的隐蔽工程。在国内永久性钢结构建筑中,大量推广应用的非膨胀型防火涂料主要为湿法喷涂工艺。 
    目前,采用湿法喷涂的非膨胀型防火涂料有两种:一种是以珍珠岩为骨料,水玻璃(或硅溶胶)为黏结剂,属双组分包装涂料,采用喷涂施工;另一种是以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩为骨料,水泥为黏结剂的单组分包装涂料,到现场只需加水拌匀即可,能喷亦能抹。
因为这种防火涂料可手工涂抹,涂层表面可达到光滑平整。 
    选用钢结构防火涂料时,应考虑结构类型、工作环境、耐火极限要求等因素。喷涂的涂料厚度必需达到设计值,节点部位宜适当加厚。喷涂场地要求、构件表面处理、接缝填补、涂料配制、喷涂次数、质量控制及验收要求等均应符合GB14907—1994{钢结构防火涂料通用技术条件》的规定。 
    3.6空心钢结构内注水 
    在空心钢结构内注水,并与设置在钢结构顶部的水箱相连,形成封闭冷却系统,使钢结构在火灾时保持较低的温度。若发生火灾,钢结构内的水被加热而上升,水箱冷水流下而产生循环,以水的循环将火灾产生的热量带走,以保证钢结构不会升温过高而丧失承载能力。为了防止钢结构生锈,须在水中掺入专门的防绣添加剂,冬天如需防冻,还要加入防冻剂。这种方法由于对结构设计有专门要求,目前实际很少应用。

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