張強

摘 要：在建筑結(jié)構中，鋼結(jié)構因為具有強度高、韌性好和施工速度快等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。但是，在耐火性方面，鋼結(jié)構的耐火性能較差，繼而在一定程度上限制了其發(fā)展。而進行鋼結(jié)構建筑構件的防火設計，則可以使鋼結(jié)構的耐火性能得到加強。因此，基于這種認識，該文對鋼結(jié)構建筑構件的耐火極限進行了分析并在此基礎上，對鋼結(jié)構建筑構件的防火設計問題進行了分析，以便為關注這一話題的人們提供參考。

關鍵詞：鋼結(jié)構 構件 防火 設計

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0093-02

作為建筑被動防火體系中的重要參數(shù)，建筑構件的耐火極限的時間長短不僅決定了建筑的耐火安全等級，還將對建筑的防火保護投資和投資效益的比值產(chǎn)生影響。除此之外，耐火極限還決定了建筑在火災下的失穩(wěn)與倒塌時間，直接關系著疏散人員和救援人員的安全。因此，有關人員有必要對鋼結(jié)構建筑構件的耐火極限進行分析，以便更好的進行構件的防火設計，繼而為人們的生命財產(chǎn)安全提供更多的保障。

1 鋼結(jié)構建筑構件的耐火極限分析

1.1 耐火極限的定義及規(guī)范

國內(nèi)外的建筑規(guī)范都對建筑的耐火性進行了等級劃分，并對建筑構件的耐火和防火做出了規(guī)定。而所謂的耐火極限，其實就是對建筑構件按時間-溫度標準曲線進行耐火試驗，而從其受到火的作用直到失去支持能力或失去隔熱作用為止，經(jīng)歷的時間就為建筑構件的耐火極限。

按照國家的建筑構件耐火極限規(guī)范，對鋼結(jié)構柱和梁的耐火極限考察就是對其在受火條件下的穩(wěn)定性、完整性和隔熱性進行試驗。首先，試件在穩(wěn)定性試驗中一旦發(fā)生垮塌或變形，其梁或板構件的最大撓度超過L/20mm，柱構件軸向變形大于h/100mm，則表明該試件失去支持力。其中，L指的是梁跨，而h為構件的初始受火高度。其次，在完整性試驗中，如果用于試驗的棉墊被引燃或背火面串火達10s以上，或者背火面出現(xiàn)超過規(guī)定的裂縫，則試件失去了完整性[1]。再者，在隔熱性試驗中，如果背火面平均溫度超過試件表面初始溫度或單點最高溫度達180℃，則試件失去絕熱性。

1.2 構件的耐火極限的確定

由于不同的建筑的形式和功能不同，所以建筑的可燃燒性能、熱值和分布等內(nèi)容存在著一定的差異。所以，按照國家統(tǒng)一規(guī)定進行建筑的耐火極限的設計并不科學。因為這樣不僅容易造成預期的功能難以實現(xiàn)，還容易導致消費投資成本的增加。而進行構件的耐火極限的確定，則可以優(yōu)化建筑構件的防火設計，繼而解決這些問題。就目前來看，在進行鋼結(jié)構構件的耐火極限的確定時，主要有兩種方法。一方面，可以將建筑構件在建筑承重體系中的重要性與樓板進行比較，然后進行其耐火極限的確定。具體來講，就是一旦構件的重要性大于樓板，則需要使其耐火極限高于樓板，反之則小于樓板的耐火極限[2]。另一方面，根據(jù)真實火災的發(fā)展過程，可以采用可靠計算方法進行結(jié)構整體失效概率的分析和計算。而想要使用這一方法，則需要使設計承載力大于等于荷載效應，結(jié)構的最小安全系數(shù)也要大于等于所要求的安全指數(shù)。

1.3 影響構件耐火性的因素

就目前來看，影響鋼結(jié)構建筑構件耐火性能的因素有很多，主要包括了可燃物火災荷載密度、建筑空間條件和構件性能。首先，火災荷載密度越大，建筑火災的發(fā)展速度將越快，而火災持續(xù)時間也會較長。而在這種情況下，建筑構件受的熱作用時間較長，構件內(nèi)部溫度升高速度也將增加，本身的形變也會加大，而其所需耐火時間則更長。其次，空間通風條件、建筑圍護構件性能、建筑空間高度和空間內(nèi)的消防系統(tǒng)等多個建筑空間條件都會影響到建筑構件的耐火性能。比如，如果建筑內(nèi)部設有自動滅火設施，建筑火災就有可能被控制或撲滅，繼而使構件的耐火時間縮短[3]。此外，鋼材強度、混凝土強度、構件尺寸和保護層厚度等多個構件性能也同樣會對構件的耐火性能產(chǎn)生影響。

2 鋼結(jié)構建筑構件的防火設計

2.1 設計原則

在進行鋼結(jié)構建筑構件的防火設計時，需要遵循相應的設計原則。

首先，需要合理確定建筑的耐火等級。具體來講，就是根據(jù)相應的建筑設計防火規(guī)范和規(guī)定進行建筑的火災危險性的確定。而在此基礎上，則需要根據(jù)建筑的火災危險性進行建筑構件的耐火等級的確定。例如，低壓控制柜屬于二類建筑，其耐火等級就應該為二級，其梁、柱、屋頂承重構件的耐火極限則應不低于2小時、3小時和1.5小時。而一旦沒有在設計時進行耐火等級的確定，則將導致設計的失誤，繼而影響到建設的安全或成本。

其次，需要合理選擇鋼結(jié)構構件的防火保護方法。就目前來看，常用的保護方法有噴涂法、包覆法和水淋冷卻法。而進行這些方法的利用，則可以進行鋼結(jié)構的耐火極限的提高。其中，噴涂法就是在鋼結(jié)構構件表面進行防火涂料的噴涂，以便在結(jié)構表面形成保護層，繼而延緩局部失穩(wěn)時間。包覆法則是利用磚、混凝土和硅鈣板等材料進行構件的包裹，以便保護鋼結(jié)構的整體穩(wěn)定性。此外，水淋法則是在鋼結(jié)構上進行噴淋系統(tǒng)的布置[4]。而發(fā)生火災時，鋼結(jié)構表面就會因噴淋而形成連續(xù)水膜，繼而進行自身的保護。在進行構件的耐火極限設計時，則需要科學的進行這些方法的比較，然后根據(jù)構件的耐火極限要求進行防火保護方法的選擇，繼而使得防火設計既安全又經(jīng)濟。

再者，需要考慮到人員疏散問題。具體來講，就是綜合考慮人員密度指標和鋼結(jié)構的建筑特點，以便加強對安全疏散路線、距離和寬度的設計要求，繼而保證人員疏散時間小于構件耐火極限。而這樣一來，才能保證火災發(fā)生時的人員安全逃生，繼而避免群死群傷的火災事故的發(fā)生。

2.2 設計方法

2.2.1 基于試驗的設計方法

基于試驗的鋼構件防火設計是以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，需要對不同防火措施下的構件耐火時間進行確定，以便進行相應的防火保護措施的選取。在設計的過程中，首先需要進行火災溫度時間變化模型的建立，以便驗證受可燃物種類和布置方式影響的構件的耐火性能。而在此基礎上，則需要進行完整的火災溫度隨時間變化的曲線的設計，而該曲線包含了引燃源、火災增長、轟燃與充分發(fā)展、衰減與熄滅這四個階段[5]。其次，由于構件的耐火極限分析需要根據(jù)耐火時間長短來確定，所以設計者需要進行火災荷載與荷載密度的確定。再者，為了進行最嚴重的火災的模擬，設計者還需要進行真實火災燃燒時間-溫度曲線的設計。而這一曲線則會受到著火區(qū)火災荷載密度、通風條件和房間形狀等因素的影響。在進行實際火升溫曲線計算時，則可以利用熱平衡方程。最后，設計者需要對實際火災與標準火災進行比較分析。而通過分析火荷載密度、通風條件和房間大小等因素，設計者則可以進行室內(nèi)火災全盛時升溫過程計算模型的建立，并最終選取相應的防火保護措施。

2.2.2 基于計算的設計方法

利用基于計算的構件防火設計方法進行構件的防火極限的確定，主要是對建筑用鋼的力學性能變化進行分析。而這樣一來，就能夠找到最經(jīng)濟的保護層厚度，繼而使構件的防火設計更加簡便和經(jīng)濟。但是，使用這一方法之前，首先需要明確鋼結(jié)構耐火極限狀態(tài)和防火設計要求。具體來講，就是在鋼結(jié)構的軸心受力構件截面屈服、成為可變機構或喪失整體穩(wěn)定性時，鋼結(jié)構構件可以認為是達到了防火承載力極限狀態(tài)[6]。而滿足的要求則包含了對構件承載力、構件耐火時間和構件臨界溫度的要求。在此基礎上，則可以進行真實火災條件下的構件耐火極限的計算。在這一階段，主要需要使用等效耐火時間的計算方法進行構件耐火性能的確定。作為定義標準耐火試驗受火時間的手段，該方法可以進行火災條件下的構件耐火時間的度量。而利用這種方法可以得出與房間火災中構件臨界溫度相同的構件臨界溫度，所以可以根據(jù)這一計算結(jié)果進行相應的構件保護措施的采用。但需要注意的是，在進行該方法的運用時，需要進行火災荷載密度、封閉空間熱物理特性、可燃物不完全燃燒系數(shù)、自動噴水滅火系統(tǒng)作用系數(shù)和通風系數(shù)等多個系數(shù)的確定[7]。最后，由于真實火災溫度時間曲線變化較大，所以還要利用與真實火災發(fā)展特性等效的標準溫度-時間曲線的利用，以便完成構件耐火極限的驗算。

2.3 鋼結(jié)構建筑構件的耐火保護

2.3.1 構件耐火保護方法

建筑物的消防安全為系統(tǒng)工程，可以劃分成主動防火和被動防火兩大體系。其中，被動防火體系是根據(jù)燃燒原理采取措施，從而防止燃燒條件的產(chǎn)生或削弱燃燒條件的發(fā)展。就目前來看，被動防火措施主要有四種，即在鋼結(jié)構構件四周澆筑混凝土或砌筑耐火磚、使用耐火材料進行構件的包覆、噴涂防火涂料和在構件內(nèi)部充水。而在進行這些方法使用的時候，則不僅要進行材料的耐火性能的考慮，還要進行材料的經(jīng)濟效果的考量，以便降低防火設計的成本。一般的情況下，通常會采用不燃的熱惰性材料或熱導率小的材料包敷在構件外面的措施。此外，也可以采取充入循環(huán)水冷卻的方法進行構件的防火保護。而主動防火體系則是采取主動防火措施進行構件的防火保護[8]。具體來講，就是采取措施進行火災的及早探測，以便破壞已經(jīng)形成的燃燒條件，并進行燃燒的連鎖反應的終止。而這樣一來，就可以使火熄滅，并將火災控制在一定范圍內(nèi)，繼而達成減少火災危害的目的。就目前來看，排煙系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)都屬于主動防火措施，主要是在火災后消除高溫和火焰對鋼結(jié)構構件的威脅。而相較于被動防火保護，主動防火保護更加積極。通過在火災中進行室內(nèi)熱量的及時排除，并降低燃燒熱釋放率，則可以有效抑制火災的蔓延，并有可能在火災初期撲滅火災，繼而使構件得到保護。此外，主動防火保護措施的采取，還可以為人員疏散創(chuàng)造較好的條件和環(huán)境。

2.3.2 耐火保護層及厚度

采用耐火保護層構造進行鋼結(jié)構建筑構件的防火保護時，需要對耐火保護層結(jié)構和厚度進行確定。就目前來看，常用的耐火保護層為水泥砂漿保護層。但是，由于水泥砂漿的附著力差，容易出現(xiàn)開裂剝落等現(xiàn)象，所以需要在鋼結(jié)構外加焊鋼絲網(wǎng)，以便進行水泥砂漿保護層的固定。而在進行耐火保護層的厚度的確定時，除了根據(jù)構件吸熱量進行厚度的計算，還需要滿足一定的耐火極限要求[9]。例如，在對方鋼管普通混凝土柱采用厚型防火涂料保護時，其保護層的厚度就應該隨著構件直徑增加和長細比的減少而呈降低趨勢，以便滿足相應的技術規(guī)章要求。

3 結(jié)語

總之，耐火性差是限制鋼結(jié)構應用的重要原因。所以，對鋼結(jié)構建筑構件進行防火設計，才能夠確保鋼結(jié)構在建筑結(jié)構中得到更加廣泛的應用。而從該文的研究來看，在進行鋼結(jié)構的防火設計時，需要先對構件的耐火極限進行分析。而在此基礎上，則要遵循相應的設計原則，并進行適當?shù)脑O計方法的運用，以便更好的鋼件結(jié)構的耐火保護。因此，該文對鋼結(jié)構建筑構件的防火設計問題進行的研究，對于促進建筑行業(yè)的發(fā)展具有一定的意義。

參考文獻

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