钢框架组合结构的防火设计

钢框架组合结构的防火设计

黄海敏

南京工业大学江浦校区210000

摘要：钢框架组合结构因其优越的结构性能,如轻质、高强、施工便利等,而受到广泛的关注,而防火问题一直是阻碍其得到充分利用的原因之一。为此,介绍了钢框架组合结构的防火设计,如采取合理结构形式,优质钢材,外部涂覆防火涂料等措施。

关键词：组合结构；防火设计；数学分析

引言

组合结构是指通过选择两种或多种材料,按照最佳的几何布置,形成一种新的具有预想功能的结构。组合楼板即组合结构的一种。压型钢承板组合板系统是20世纪30年代末在美国发展起来的,因为其具有轻质、高强、安装方便、施工快捷等优点,目前这种结构形式已经广泛应用于以钢结构作为框架的各种结构中。但钢结构具有相对混凝土和砖石结构防火性能差的缺点,大大制约了组合结构快速广泛地发展。

现在,对组合结构的防火研究主要集中于以下几个方面:对结构形式本身的改进;对新型防火材料的研究;外装饰、水冷却、通风设计等。

一、钢结构的特性和抗火极限

钢结构主要由不燃烧材料钢材构成，钢材的特性是强度高、韧性强，但抗火性差。一般低碳钢在无保护层作用时的抗火极限温度在7000C左右，当温度在3000C时，钢材的特性开始产生变化，3000C时弹性模量E值开始明显减少，5000C时弹性模量E值则为常温时的50%左右，达到7000C时E值则只有常温的20%了，弹性模量的变化速度与屈服强度的变化速度相当，随着弹性模量的变低，屈服强度也随之下降，因此，如果说钢材在5000C的高温时尚有一定的承载力的话，在7000C时在高温与外荷载重力的双重作用下则基本失去了承载作用。通常火灾现场的温度可达900～11000C左右。也就说，如果钢结构不采取抗火保护措施，建筑会在倾刻间倒坍，而我们采取保护措施的目的就是使结构在发生火灾时，满足防火规范规定的耐火极限时间，尽可能延缓高温对钢结构的伤害，为消防施救争取时间。

二、钢结构防火设计方法

(一)基于试验的构件防火设计方法

这种方法以试验数据为依据，通过进行不同类型构件(梁和柱)在规定荷载分布与标准升温下的耐火试验，确定在采取不同防火措施(如防火涂料)后构件的耐火时间。通过进行一系列的试验可确定各种防火措施(包括同种防火措施不同防火程度，如不同肪火涂料厚度)相应的构件耐火时间。进行结构防火设计时，可根据构件的耐火时间要求，直接选取对应的防火保护措施。基于试验的构件防火设计方法，简单、直观，应用方便，最初各国的钢结构防火设计均采用这种方法。实际上，我国现Ⅸ建筑设计防火规范》关于钢梁和钢柱防火措施要求，也是基于这种方法。

(二)基于计算的构件防火设计方法

为考虑荷载的分布、大小及构件的端部约束状态对构件耐火时间的影响，可按所设计结构的实际情况进行一系列的构件耐火试验，但是费用昂贵。为解决基于试验的构件防火设计方法存在的问题，钢结构防火计算理论研究引起了很多研究者的重视，开展了大量的研究工作。理论研究以有限元为主，也有采用经典解析分析方法，基本建立了能考虑任意荷载方式和端部约束状态影响的钢结构防火设计方法。目前这种方法已被英国、澳大利亚、欧共体等国家(组织)的钢结构设计规范采用。上海市工程建设规范Ⅸ建筑钢结构防火技术规程》也采用这种方法。

三、钢结构防火应解决的问题

(1)结构在火灾中的整体研究

结构的主要作用是作为整体承受荷载，火灾下结构单个构件的破坏，并不定意味着整体结构的破坏，特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理。

(2)结构防火计算模型与真实火灾差别较大

真实火灾中，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素，再次，构件受火在结构中会产生温度应力，丽这一影响在构件试验中也难以准确反映。因此还需要完善钢结构构件在温度、重力荷载共同作用下的破坏机理和承载力计算模型。只有通过研究不断完善的计算模型，才能确定与我国结构设计相适应的计算模式。现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。

四、钢结构抗火保护方法及措施

依据《钢结构设计规范》（GBJ17-88）的规定，当结构表面长期受辐射热达1500C以上或在短期内可能受到火焰作用时，应采取有效防护措施。一般不加保护的钢结构构件耐火极限仅为10～20分钟，采取抗火防护就是使钢构件达到规定的耐火极限要求，通过适当的防护措施，钢结构构件可达到任何要求的防火等级。

目前国内较常用的钢结构抗火保护措施有几种：

（1）包封法：主要是用混凝土将整条钢柱钢梁封闭起来以阻截或阻滞火灾产生的高温向构件的传递，使构件在规定的时间内温度达不到其临界温度极限。具体做法可现浇混凝土，也可用喷涂法，直接将混凝土喷射在构件上。通常要求在外包层内埋设钢丝网或用小截面钢筋加强，防止遇高温产生收缩爆裂。

（2）屏蔽法：即通过使用各类防火板材将构件包襄起来，形成一堵抗火的屏蔽墙。通常这种用厚板或簿板构成防火板材有石膏板，水泥蛭石板，硅酸钙板或石棉板等。使用时将板材通过粘结剂或其它紧固件固定在钢构件上，必要时可再将防火涂料涂在板材的表面上，若外包采用金属板材则需在内衬铺装隔热材料。

参考文献：

[1]洪菲菲，浅谈钢结构的防火设计[J]，人民珠江，2006，（04）；

[2]龚伟平，高洪俊，何丽丽，钢结构防火设计的探讨[J]，山西建筑，2008，（04）；

[3]GB50010，混凝土结构设计规范[S]

[4]阮介平，高层建筑钢结构防火保护层施工技术探讨[J]，2007，（18）

作者简介：

黄海敏（1994年1月19日）男，汉族，江苏江阴，本科在读，土木工程房建方向