钢结构防火工程的意义及费用

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：钢结构防火工程的目的，在于用防火材料阻断火灾热流传给钢构件的通路，延缓传热速率，使钢结构在某个特定时间内能够继续承受荷载。选用的防火材料应具有国家检测机构提供的理化、力学和耐火极限试验检测报告。大多数最常用的防火材料实际上是前两类材料的混合物。矿棉板防火层一般做成箱形，可把几层叠置在一起。高层钢结构防火措施的费用一般占钢结构造价的18%～20%，占结构造价的9%～10%，占整个建筑物造价的5%～6%。

钢结构高层建筑要特别重视火灾的预防。钢材热传导快，比热小，虽是一种不燃材料，但极不耐火。当钢构件暴露于火灾高温之下时，其温度很快上升，当其温度达到600℃时，钢的结构发生变化，其抗拉强度、屈服点和弹性模量都急剧下降（如屈服点可下降60%）。另外，钢柱以及承重钢梁会由于挠度的急剧增大而失去稳定性，导致整个建筑物坍塌。

例如，在震惊世界的“9·11”事件中，美国纽约110层的世界贸易中心的两座大厦，被恐怖分子劫持的飞机撞击后仅32min，南楼就坍塌至底部。其中一个重要原因就是该楼的钢结构构件在大火高温下，丧失承载能力从而很快坍塌。

钢结构防火工程的目的，在于用防火材料阻断火灾热流传给钢构件的通路，延缓传热速率（延长钢构件温度达到临界温度的时间），使钢结构在某个特定时间内能够继续承受荷载。

1.耐火极限等级

钢结构构件的耐火极限等级，是根据它在耐火试验中能继续承受荷载作用的最短时间来划分的。耐火时间大于或等于30min，则耐火极限等级为F30，每一级都比前一级长30min，所以耐火时间等级分为F30、F60、F90、F120、F150、F180等。

钢结构构件的耐火极限等级，依建筑物的耐火等级和构件种类而定；而建筑物的耐火等级又是根据火灾荷载确定的。火灾荷载是指建筑物内如结构部件、装饰构件、家具和其他可燃材料等燃烧时产生的热量。单位面积的火灾荷载为

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式中　Qi——材料燃烧时产生的热量（MJ）；

　　　A——建筑面积（m2）。

与一般钢结构不同，高层钢结构的耐火极限又与建筑物的高度相关，因为建筑物越高，重力荷载也越大。高层钢结构的耐火等级可分为Ⅰ、Ⅱ两级。其构件的燃烧性能和耐火极限应不低于表7-10的规定。

表7-10　建筑构件的燃烧性能和耐火极限

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2.防火材料

钢结构的防火保护材料，应选择绝热性好、具有一定抗冲击振动能力、能牢固地附着在钢构件上，又不腐蚀钢材的防火涂料或不燃性板型材。选用的防火材料应具有国家检测机构提供的理化、力学和耐火极限试验检测报告。

防火材料的种类主要有：热绝缘材料、能量吸收（烧蚀）材料、膨胀涂料。

大多数最常用的防火材料实际上是前两类材料的混合物。采用最广的具有优良性能的热绝缘材料有矿物纤维和膨胀集料（如蛭石和珍珠岩）；最常用的热能吸收材料有石膏和硅酸盐水泥，它们遇热会释放出结晶水汽化吸热。

（1）混凝土。混凝土是采用最早和最广泛的防火材料，其导热系数较高，因而不是优良的绝热体，同其他防火涂层比较，它的防火能力主要依赖于它的化学结合水和游离水，其含量为16%～20%。火灾中混凝土温度相对较低，这是因为它的表面和内部有水。当它的非暴露表面温度上升到100℃时，即不再升高，一旦水分完全汽化掉，其温度就将再度上升。

混凝土可以延缓金属构件的升温，而且可承受与其相对面积和刚度成比例的一部分柱子荷载，有助于减小破坏。混凝土防火性能主要依靠的是厚度：当耐火时间小于90min时，耐火时间同混凝土层的厚度呈曲线关系；当耐火时间大于90min时，耐火时间则与厚度的平方成正比。

（2）石膏。石膏具有不寻常的耐火性质。当其暴露在高温下时，可释放出20%的结晶水而被火灾产生的热量所汽化。所以，火灾中石膏一直保持相对的冷却状态，直至被完全煅烧脱水为止。石膏作为防火材料，既可做成板材，粘贴于钢构件表面，也可制成灰浆，涂抹或喷射到钢构件表面。

（3）矿物纤维。矿物纤维是最有效的轻质防火材料，它不燃烧，抗化学侵蚀，导热性低，隔声性能好。以前采用的矿物纤维有石棉、岩棉、矿渣棉和其他陶瓷纤维，当今采用的矿物纤维则不含石棉和晶体硅，原材料为岩石或矿渣，在1371℃下制成。

1）矿物纤维涂料。矿物纤维涂料由无机纤维、水泥类胶结料以及少量的掺合料配成。添加掺合料有助于混合料的浸湿、凝固和控制粉尘飞扬。掺合料中还掺有空气凝固剂、水化凝固剂和陶瓷凝固剂。根据需要，这几种凝固剂可按不同比例混合使用，或只使用某一种。

2）矿棉板。如岩棉板，它有不同的厚度和密度。密度越大，耐火性能越高。矿棉板的固定件有以下几种：用电阻焊焊在翼缘板内侧或外侧的销钉；用薄钢带固定于柱上的角铁形固定件等。

矿棉板防火层一般做成箱形，可把几层叠置在一起。当矿棉板绝缘层不能做得太厚时，可在最外面加高熔点绝缘层，但造价会上升。当矿棉板厚度为62.5mm时，耐火极限为2h。

（4）氯氧化镁。氯氧化镁水泥用作地面材料已近50年，从20世纪60年代开始被用作防火材料。它与水的反应是这种材料防火性能的基础，其含水量可达44%～54%，相当于石膏含水量（按质量计）的2.5倍以上。当其被加热到大约300℃时，开始释放化学结合水。经标准耐火试验，当涂层厚度为14mm时，耐火极限为2h。

（5）膨胀涂料。膨胀涂料是一种极有发展前景的防火材料，它极似油漆，直接喷涂于金属表面，黏结和硬化与油漆相同。涂料层上可直接喷涂装饰油漆，不透水，抗机械破坏性能好，耐火极限最大可达2h。

（6）绝缘型防火涂料。近年来，我国科研单位大力开发了很多热绝缘型防火涂料，如TN-LG、JG-276、ST1-A、SB-1、ST1-B等。其厚度在30mm左右时，耐火极限均不低于2h。

3.防火方法

钢结构构件的防火方法见表7-11。

表7-11　钢结构构件的防火方法

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