結(jié)構(gòu)用鋼高溫力學性能分析及防火技術(shù)措施
摘要:通過對實際工程中最常用的Q235鋼的高溫力學性能分析,揭示了鋼材雖為非燃燒材料,但不耐火,闡明了鋼結(jié)構(gòu)防火是鋼結(jié)構(gòu)建筑存在的主要安全問題,提出了鋼結(jié)構(gòu)防火的技術(shù)措施及其優(yōu)、缺點。
關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);防火;力學性能;耐火極限
1 問題的提出
隨著工業(yè)技術(shù)的進步和人民生活水平的提高,建筑中對大跨度空間結(jié)構(gòu)及超高層鋼結(jié)構(gòu)的需求不斷增加,而鋼材是能夠滿足上述結(jié)構(gòu)要求的主要輕質(zhì)高強材料之一[1]。目前,我國建筑造型的多樣化、多功能化趨勢,使得鋼結(jié)構(gòu)有了更大的發(fā)展空間。由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面寬展、瘦長,鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大(約為混凝土的40倍),以及鋼材的力學性能對溫度的敏感性等原因,火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的威脅遠大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。一旦發(fā)生火災(zāi),鋼結(jié)構(gòu)的承載能力降低,變形增大,在較短的時間(10~20 min)內(nèi)就能達到極限狀態(tài)以至發(fā)生破壞。因此,相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言,鋼結(jié)構(gòu)的防火是一個不可回避的安全問題。
2 結(jié)構(gòu)用鋼高溫力學性能分析
以在實際工程中最常用的鋼材Q235鋼為例,其屈服強度和彈性模量與常溫下對應(yīng)值之比隨火災(zāi)溫度變化的曲線。
在火災(zāi)條件下,Q235鋼的力學性能與常溫下相比,有明顯不同。
(1)屈服強度隨火災(zāi)溫度的升高而降低。在200’C時,屈服強度為常溫下的82.3%;在400。C時,屈服強度為常溫下的49.8%;在600℃時,屈服強度只有常溫下的20.4%。
(2)彈性模量隨火災(zāi)溫度的升高而降低。在200。c時,彈性模量為常溫下的95.9%;在400℃時,彈性模量為常溫下的83.1%;在600。C時,彈性模量只有常溫下的17.1%。
由此可見,鋼材雖為非燃燒材料,但不耐火。在火災(zāi)高溫條件下,結(jié)構(gòu)鋼的強度和剛度都將迅速下降。因此,當建筑采用無防火保護措施的鋼結(jié)構(gòu)時,一旦發(fā)生火災(zāi),結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破壞。例如,2004年10月,河南省某市一家電量販發(fā)生火災(zāi),鋼結(jié)構(gòu)屋頂被燒整體倒塌,造成2人被埋壓致死。把安全工程師站點加入收藏夾
3 鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)措施
3.1設(shè)置防火屏障
在鋼構(gòu)件的迎火面設(shè)置防火屏障,將鋼構(gòu)件與火焰隔開,如圖2所示。例如,在鋼梁下面安裝防火平頂,在鋼柱外側(cè)設(shè)置一定寬度的防火板等。采用這種方法,應(yīng)特別注意接縫、孑L洞處的密封性,防止竄火。
3.2砌筑耐火磚或澆筑混凝土
采用砌筑耐火磚或澆筑混凝土完全封閉鋼構(gòu)件,如圖3所示。這種方法的優(yōu)點是強度高、耐沖擊;缺點是占用的空間較大。例如,用C20混凝土保護鋼柱,其厚度為5~10 cm才能達到1.5~3 h的耐火極限。另外,這種方法施工也較麻煩,特別是在鋼梁、斜撐上,施工十分困難。國內(nèi)石化工業(yè)廠房過去大多采用砌磚方
3.3外包耐火輕質(zhì)板材
采用耐火輕質(zhì)板材作為防火外包層。耐火輕質(zhì)板材的主要材料是水泥、石膏、硅酸鈣、蛭石、陶瓷纖維、巖棉、礫石這些耐火、無毒的物質(zhì),加工成板材以后,通過不同的構(gòu)造方法制成保護層。板材保護的做法有直接包裹或貼敷、使用加固鐵件連接、軟性材料纏繞等。例如,有采用軟性的陶瓷纖維氈纏繞在鋼構(gòu)件上的,有使用摻無機纖維硅鈣板、蒸壓輕質(zhì)混凝土板、無機纖維強化石膏板、擠壓成型水泥、預(yù)制混凝土板直接貼敷的等。
采用耐火輕質(zhì)板材作為防火外包層,具有表面平整、裝飾性好、施工方便以及占用空間少、綜合造價低等優(yōu)點。目前,這種方法正逐步得到廣泛應(yīng)用。
3.4設(shè)置噴淋供水管網(wǎng)
在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水管網(wǎng),火災(zāi)時自動(或手動)開啟噴水,在鋼構(gòu)件表面形成一層連續(xù)流動的水膜,從而起到保護的作用。
3.5噴涂防火涂料
用噴涂機具將防火涂料直接噴涂于鋼構(gòu)件表面,形成保護層。這種方法施工簡便,重量輕,耐火時間長,而且不受鋼構(gòu)件幾何形狀限制,具有較好的經(jīng)濟性和實用性。
根據(jù)高溫下涂層變化的情況,鋼結(jié)構(gòu)防火涂料可分為膨脹型和非膨脹型兩個系列。
(1)膨脹型防火涂料
膨脹型防火涂料,又稱薄型防火涂料,涂層厚度一般為2~7 mill,耐火極限可達0.5~1.5 h。膨脹型防火涂料的基料為有機樹脂,配方中還含有發(fā)泡劑、碳化劑等成分,遇火后自身會發(fā)泡膨脹,形成比原涂層厚數(shù)十倍的多孔碳質(zhì)層。多孔碳質(zhì)層隔熱性能極佳,可阻擋外部熱源對基材的傳熱,構(gòu)成絕熱屏障,保護鋼構(gòu)件不受火災(zāi)的損毀。
膨脹型防火涂料具有涂層薄、重量輕、抗振性好、裝飾性好等優(yōu)點,缺點是施工時氣味較大,涂層易老化,若處于吸濕受潮狀態(tài)會失去膨脹性。
(2)非膨脹型防火涂料
非膨脹型防火涂料,又稱厚型防火涂料,其主要成分為無機絕熱材料,遇火不膨脹,自身具有良好的隔熱性。非膨脹型防火涂料,利用涂層固有的良好的絕熱性,以及高溫下部分成分的蒸發(fā)和分解等燒蝕反應(yīng)而產(chǎn)生的吸熱作用,來阻隔和消耗火災(zāi)熱量向基材的傳遞,從而延緩鋼構(gòu)件達到臨界溫度的時間。非膨脹型防火涂料,涂層厚度一般為7~50 mm,耐火極限可達0?5~3 h。非膨脹型防火涂料一般不燃、無毒、耐老化,耐久性較可靠,適用于永久性建筑中。
非膨脹型防火涂料分為兩類:一類以礦物纖維為骨料采用干法噴涂施工;另一類是以膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等顆粒材料為骨料,采用濕法噴涂施工。
采用干法噴涂纖維材料,涂層容重輕,但施工時容易散發(fā)細微纖維粉塵,對施工人員和建筑物內(nèi)工作人員可能造成健康影響,施工環(huán)境較差。另外表面疏松,只適合于完全封閉的隱蔽工程。在國內(nèi)永久性鋼結(jié)構(gòu)建筑中,大量推廣應(yīng)用的非膨脹型防火涂料主要為濕法噴涂工藝。
目前,采用濕法噴涂的非膨脹型防火涂料有兩種:一種是以珍珠巖為骨料,水玻璃(或硅溶膠)為黏結(jié)劑,屬雙組分包裝涂料,采用噴涂施工;另一種是以膨脹蛭石、膨脹珍珠巖為骨料,水泥為黏結(jié)劑的單組分包裝涂料,到現(xiàn)場只需加水拌勻即可,能噴亦能抹。因為這種防火涂料可手工涂抹,涂層表面可達到光滑平整。
選用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料時,應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)類型、工作環(huán)境、耐火極限要求等因素。噴涂的涂料厚度必需達到設(shè)計值,節(jié)點部位宜適當加厚。噴涂場地要求、構(gòu)件表面處理、接縫填補、涂料配制、噴涂次數(shù)、質(zhì)量控制及驗收要求等均應(yīng)符合GB 14907―1994{鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通用技術(shù)條件》的規(guī)定。
3.6空心鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)注水
在空心鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)注水,并與設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)頂部的水箱相連,形成封閉冷卻系統(tǒng),使鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時保持較低的溫度。若發(fā)生火災(zāi),鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的水被加熱而上升,水箱冷水流下而產(chǎn)生循環(huán),以水的循環(huán)將火災(zāi)產(chǎn)生的熱量帶走,以保證鋼結(jié)構(gòu)不會升溫過高而喪失承載能力。為了防止鋼結(jié)構(gòu)生銹,須在水中摻入專門的防繡添加劑,冬天如需防凍,還要加入防凍劑。這種方法由于對結(jié)構(gòu)設(shè)計有專門要求,目前實際很少應(yīng)用。
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