钢结构建筑防火性能探析

刘雷

（九江消防支队，江西 九江 332000）

钢结构是现代建筑领域中与混凝土、砌体结构一样被广泛运用的一类重要建筑结构。人们在充分利用钢结构自重轻、施工周期短、抗震性能好、强度高等特点带来的便利的同时，钢结构也在一次次火灾中暴露出来的自身防火性能较差的弱点，给带来人们了惨痛教训及巨大的损失。因此，社会也引起了对提高钢结构防火性能的探讨与研究。

1 钢结构防火性能研究的背景及价值

钢结构建筑距今已有100多年的历史，作为建筑结构的一种类型，以其自身具有的强度高，抗震性能强及自重轻等优点，被人们广的运用在大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构建筑中。如厂房、库房、体育馆、展览馆、机场机库等工程。在世界上的许多发达国家和地区，钢结构在建筑结构中所占的比例较高，有的国家甚至超过了60%。在我国，从90年代开始，钢结构就可开始被广泛的运用在高层建筑中。随着城市建设的日新月异，经济的快速发展对高层建筑的需求不断增高，在新建的许多高层建筑中使用钢结构的比例已经超过了一半，而且这个比例随着钢结构自身所具有的优越特性还在不断的提高。可以预想到的是，在将来的建筑领域中钢结构建筑作为一种绿色环保的建筑，将会是建筑市场的一支主力军。

探讨钢结构的防火性能，提升钢结构的防火能力已经变成当下一个迫在眉睫的问题。让人们在充分利用和享受钢结构带来的便利的同时，也降低或减少钢结构在火灾发生时可能产生的严重危害。同时通过社会面得广泛关注，使大家能有效的提高对钢结构的认识，了解抵御钢结构防火性能较差的办法和途径，避免钢结构在火灾中局部或者整体倒塌造成的灾害和人员疏散的困难以及人员伤亡，减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。因此，探讨钢结构的防火性能有着重要的意义和现实价值。

2 钢结构特性及变化应考虑的因素

钢材作为一种建筑材料其属性是不然的，属于非燃烧体，但在建筑结构中，其自身的耐火性能却是其一个主要的缺点，在高温的状态下，极易导致其结构破坏，失去承重能力。钢材属于非燃烧体的一类建筑构件，与相对应的钢筋混凝土结构和砌体结构相比较，其自身所具备的耐火性能较差。试验表明：在不做任何防护措施的条件下，高结构的耐火极限只有0.25h左右，在持续火灾高温的影响下，随温度的升高，钢材的各项性能有着很大的变化。

2.1 钢材遇高温时的热膨胀性

火灾高温情况下，钢材因其自身的超静定结构，结构会膨胀并产生出附加的应力。钢材具有良好的导热性能，当遇高温热时，热量会迅速的传递和蔓延，试验结果表明：在700℃以前，钢材构件伴随钢温的升高其热膨胀也随之增大，但在800℃～900℃期间，构件在原有伸长的基础上又出现缩短现象；温度超过900℃时，又开始膨胀这一特性。 因此，未加保护的钢构件一旦遇火，其截面温度迅速升高，严重影响到钢结构安全工作性能。

2.2 钢材遇高温的力学性能

在火灾高温的环境下，250℃是影响钢材力学性能的一个分界点。在250℃的温度以下，钢材的强度和弹性没有明显的变化。超过250℃时，随着温度的升高，钢材自身的抗压强度、弹性、等力学性能开始发生变化，出现迅速下降趋势，产生"塑性流动"现象。当环境温度升高至540℃左右，钢材失去稳定性。从实际发生的火灾事故当中发现，一般火场中都存在大量的高燃烧性能的物质，火场温度常常可以到达800℃甚至更高，暴露在这样的火灾环境中钢结构构件，只要很短的时间，便会失去其自身强度，造成弹性、塑性改变，产生局部的破坏，对结构的承载能力和完整性产生巨大影响，支撑力散失，最终造成的后果是钢结构建筑的整体坍塌。

2.3 钢材遇高温的热导性能

钢材虽然不具有燃烧性能，但自身却又很好的导热性，是一种热导性好的固体构件。钢材遇高温时，其内部的热传导作用较快，火焰、高温烟气、热空气通过热辐射迅速在其内部传递，从受热局部向整体传播，致使钢结构的整体受热面积增大，持续时间越长，对钢结构的影响越大。

2.4 钢材遇高温的荷载性能

钢结构因其承载能力强，抗压能力高而被广泛在建筑结构中使用。但是在高温的环境下，钢结构的基本荷载能力，也会随温度的不断升高而逐步下降。在实际发生的火灾中，钢结构的局部高温会逐渐的向整体传播，随着钢结构内部温度的升高，承载能力将下降，当下降到与荷载、温度产生的组合效应相等时，结构达到受火承载极限状态。钢结构的性能安全需要充分考虑荷载与结构约束条件的作用，才能在抗火设计时充分满足性能安全要求，使结构在承受确定荷载条件下，以达到提升耐火能力的要求。

3 提高钢结构防火性能的主要途径

在了解了钢结构的相关特性及在当今建筑领域中的作用后，放在我们面前的主要问题就是如何才能提到钢结构的防火性能。根据钢结构的导热性较好这一特性，要提升钢结构的防火性能，主要出发点就是要阻隔火灾环境中的热量向钢材内部传递，减缓钢材整体升温速度，推迟钢结构构件到达破坏性能临界温度的时间。提高钢结构的防火性能，采用钢结构作为建筑主体时，要选用适当的防火保护方法。结合国内外对于钢结构的保护，主要有四类方法：

3.1 在钢构件四周浇抹混凝土或砌筑耐火砖

采用混凝土或耐火砖将钢构件（梁、柱）完全封闭起来。其钢梁、钢柱的防火保护就是在钢构件外面缠绕钢丝（增加粘结力），然后再浇抹混凝土，形成混凝土外墙以队钢结构进行保护。

3.2 采用轻质防火板材作为防火外包层

采用纤维增强水泥板（如TK板、FC板）、石膏板、硅酸钙板、蛭石板等非燃材料的防火板将钢构件包裹起来。防火板在德国、日本、美国、英国等国家的钢结构建筑防火工程中已大量应用。我国目前在防火板的生产和应用上尚处于起步阶段。

3.3 喷涂钢结构防火涂料

将钢结构防火涂料施涂于钢结构表面，形成耐火隔热保护层。钢结构防火涂料根据高温下涂层变化情况分膨胀型和非膨胀型两大系列。在火灾发生时对钢材进行防护阻隔，防止钢材直接置于火灾高温中。

3.4 水冷却法

在使用水冷却法对钢结构进行防火阻隔时，对结构设计、供水设施有专门的技术要求，其中主要以水喷淋法和疏导法为主，水喷淋法是水冷却法的一种。该方法是在钢结构顶部设置喷淋供水管网系统，火灾时自动或手动喷水，在构件表面形成一层致密、连续流动水膜，从而起到保护作用。疏导法允许热流量传到钢构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使构件温度在规定的时间内不会达到临界温度，以起保护作用。但在现实中水冷却法使用较少。

钢结构建筑防火保护已经普遍被人们所重视，而钢结构在建筑设计与结构设计界限方面不如混凝土结构砖石结构清晰，且世界各国并没有统一的设计规范或标准，出台钢结构防火设计规范，完善相关钢结构技术标准。同时也要求在钢结构设计过程中，设计师要具有丰富的设计经验、扎实的理论功底。因此，充分进行钢结构防火性能的分析，有针对性的对钢结构进行防火保护，对有效提高钢结构建筑使用安全性能有着重要的意义。

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