钢结构防火保护措施

钢结构防火保护措施（共9篇）

钢结构防火保护措施 篇1

1 钢结构的现状及应用分析

1.1 钢结构的现状

伴随着经济的高速增长, 建筑业也在蓬勃发展, 大跨度, 超高层的建筑越来越多。同时, 钢结构在建筑中的运用也越来越多。伴随着人们生活水平的不断提高, 对高层、大跨度结构的要求也越来越高。而钢结构由于本身强度高、自重轻、施工快的独特优点, 成为高层、大跨度建筑, 尤其是超高层、超大跨度建筑的理想选择对象。

1.2 钢结构的优点和缺陷

钢材具有强度高、塑性好、抗震好、重量轻等优点, 这些优点使得钢结构既有良好的承载力, 又能满足建筑设计中对造型不断多样化的要求。钢材为非燃材料, 但是它的耐火性能非常差, 其导热系数约为混凝土材料的40 倍, 例如弹性模量、屈服强度等力学性能则对温度非常敏感。随着温度的不断升高, 钢材的屈服强度, 弹性模量, 抗拉强度是呈不断降低的趋势, 但这些达到150℃以下时变化不大, 可是当温度超过300℃时, 钢材的抗拉强度、弹性模量、屈服强度开始出现显著下降的现象, 并且伸长率开始进一步明显增大, 此时钢材产生徐变;当温度达到400℃以上时, 钢材的强度和弹性模量都加剧降低;到500℃左右, 钢材的强度将会下降到40%-50%, 钢材的屈服点、抗压强度、弹性模量等力学性能都迅速下降, 低于建筑结构所要求的屈服强度。实际生活中火场温度都在800℃-1000℃左右, 当火灾发生5min后温度已达到550℃以上。因此, 如果没有重视普通钢材的防火保护, 一旦发生火灾, 这些建筑将很快倒塌, 以至于危害到人们的生命和财产安全。[1]

1.3 钢结构保护的现状

随着越来越多的人防火意识的提高, 如今钢结构越来越多都进行了防火方面的处理。但在有些地区, 情况仍不太乐观。尤其是一些开发区和工业园内的厂房, 大多还是以钢结构为主, 但是这些建筑很多没有按照消防要求来对建筑物进行处理, 一旦将来这些建筑发生火灾, 将很快造成结构的破坏。

2 钢结构的防火原理

一般普通的钢结构, 即未进行防火处理的钢结构耐火极限大约为15 分钟, 防火保护的目的就是让耐火极限达到设计规范的要求内。火灾时产生的热量传到结构, 使钢材表面受热, 由于钢材导热系数比较大, 且钢结构构件大多是薄壁截面, 都有较小的板厚, 因此钢结构构件的内外温度差不多。因此当钢材表面受到高温时, 会迅速引发到整个构件, 进而导致结构承载力急剧下降乃至整个结构破坏。因此防火保护的方式虽然有很多, 但它的原理都是用耐火或者防火材料来抵抗温度蔓延, 降低热量传递的熟读, 延缓结构达到临界温度。

3 防火保护措施

3.1 水冷却法

抵御火灾最有效的方法是往空心型钢里注水。这种方法在发生火灾时能使钢材温度不至于太高, 水在钢结构内循环热量, 吸收钢材受热产生的热量。受热的水冷却后可以再循环利用, 或重新引入新的冷水来代替。对于非空心型钢的结构, 可以将喷淋供水管网设在钢结构顶部, 当发生火灾时, 水管网自动 (或手动) 开始喷水, 在构件表面形成一层持续流动的水膜, 从而达到应有的保护作用。[2]

3.2 外包层法

即在钢材表面包裹外包层以阻隔火焰。外包层可以用现浇的混凝土来当作防火保护层, 外包层可以采用混凝土、加气混凝土等, 这些材料既不会燃烧, 又拥有较大的热容量, 可以减缓钢构件的升温。 同时也可用砂浆当做保护层, 以提高整个构件耐火极限。还可以采用轻质的耐火材料, 例如石膏板、珍珠岩板等包覆钢构件, 并用螺栓或粘结剂等连接件固定在构件上。

3.3 屏蔽法

将钢结构放置在由耐火材料组成的顶棚或墙体内, 或将构件放置在两片墙之间的空隙里, 这样的话由于被耐火材料保护, 发生火灾时钢结构的升温大为延缓, 有效提高了钢结构的耐火能力, 这是防火方法中最为经济的一种, 但同时要注意吊顶的孔洞、接缝处应密封, 防止发生窜火现象。但目前看来许多大跨度建筑、轻钢结构厂房其钢结构材料直接在室内裸露, 所以不建议采用此种防火措施。

3.4 喷涂法

用专业喷涂机具将直接在钢构件表面喷涂防火材料, 形成隔热耐火保护层。涂层对钢构件起些屏蔽作用, 使其不在火焰高温中直接暴露;涂层在吸热以后, 同时能释放出水蒸气以及其他非燃气体, 从而起到消耗热量、燃烧速度和降低火焰温度、稀释氧气的作用;另一方面, 由于涂层本身就多孔轻质, 所以其受热后会形成碳化泡沫层, 碳化泡沫层会阻止热量向钢材传递的速度, 这些都延缓了钢材强度的降低, 从而提高了钢结构的耐火极限, 这便是喷涂法能发挥防火作用的原理。钢结构防火涂剂根据胶粘剂的不同可分为无机防火涂料和有机防火涂料这两类, 根据涂层厚度分为以有机材料为主的薄型、超薄型膨胀涂料, 或者以无机材料为主的厚型非膨胀涂料。

4 结语

由于钢结构的重量比较轻, 工业化程度比较高, 抗震性能比较好, 是一种绿色环保的产品, 其具有可持续发展空间。并且我国的钢总量位居世界第一, 为发展钢结构建筑提供了充足的物质基础, 所以我国拥有广阔的钢结构市场。在此基础上, 合理应用防火材料对钢结构进行防火保护, 是提高钢结构建筑耐火等级的有效措施。

参考文献

[1]蔡建中, 夏文丽, 杨霞.关于建筑钢结构防火保护技术的几点思考[J].上海涂料, 2014, 52 (1) :42-43.

[2]刘磊.浅谈钢结构防火保护措施[J].科技资讯, 2009, (10) :113.

钢结构防火保护措施 篇2

摘要：以临界温度作为钢结构达到抗火承载力极限状态的判断条件,在空间高度确定的情况下偏于安全地取大空间建筑几何尺寸下限,地面面积为500 m2的建筑空间在火灾中所能达到的最高温度为代表值,如果临界温度等于该温度代表值,则该温度代表值所对应的火源功率为此空间上部钢结构不需进行防火保护的火源功率限值.对于不同结构类型的大空间建筑,根据其结构特性和所处的.火灾场景确定其临界温度,然后在确定的空间高度条件下,如果火源功率小于钢结构不需进行防火保护的火源功率限值,则该建筑空间顶部钢结构不需进行防火保护.作 者：杜咏 李国强 作者单位：杜咏(南京工业大学,建筑与城市规划学院,江苏,南京,210009)

李国强(同济大学,土木工程学院,上海,92)

期 刊：消防科学与技术 ISTICPKU Journal：FIRE SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：,27(7)分类号：X913 TU242 TU39关键词：钢结构 临界温度 防火保护 大空间建筑火灾

浅析钢结构建筑防火保护 篇3

关键词：钢结构,建筑工程,防火措施

1 概述

对于钢结构的防火性能, 一直是建筑行业中非常关注的问题, 现在对于防止钢结构在火灾中迅速升温并对钢结构造成变形坍塌的问题出现, 就要对钢结构采取不同的措施, 尤其是遇到高温能够引起变形的情况中, 要根据实际情况而制定, 这就要求技术人员在防火的措施中不断的提高科技的含量, 在钢结构中运用涂料保护、防火板保护、无机纤维保护、混凝土保护、柔性卷材保护、结构内桶水冷却保护等, 这就对于钢结构进行了全方位的保护, 以减少在遇到火灾时产生严重的影响。钢结构大部门是采取绝热、耐火材料阻隔火焰直接对于钢结构进行灼烧, 以便来降低热量进行传递, 进而造成对于钢结构的升温, 是钢结构的强度变弱, 造成钢结构的断裂。

2 钢结构在防火中的使用措施

2.1 澎胀材料

钢结构喷涂防火涂料是近年来应用比较广泛的防火技术措施。根据《钢结构防火涂料》 (GB14907-2002) , 钢结构防火涂料定义为施涂于建筑物及构筑的钢结构表面, 能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料。

2.1.1 优点

采用钢结构防火涂料保护构件, 这种方法具有防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制等优点, 一般不需要添加辅助设施, 且涂层质量轻, 还有一定的美观装饰作用, 属于现代的先进防火技术措施。

2.1.2 缺点

由于厚型防火涂料存在自重大, 装饰性差, 因此只能应用在某些对外观要求不高的室外钢结构。广泛应用的是薄型和超薄型钢结构防火涂料, 特别是超薄型。此两类涂料所使用的主要原料聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇均耐水性不良, 存在随着环境、时间等溶出、分解、降解和老化等问题。

2.1.3 安全性

目前的膨胀型钢结构防火涂料遇火有可能释放出氨、HCN、卤化氢、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氯、溴等有毒有害气体。如果这些气体的浓度超过了人体忍受极限, 便会对未逃离火场的人员以及消防人员造成危害。

2.1.4 生产、施工

国内多数钢结构防火涂料生产企业的规模不大, 生产工艺流程自动化水平不高, 有部分企业还处于手工作坊式在操作, 不少产品的配方工艺大同小异, 对专用于防火涂料的原料研究不够, 对原材料的检测、控制不够, 生产过程的检测手段不全, 施工设备有待改进提高, 与防锈漆的配套性也不能进行严格的检验。

2.2 外包层

是在钢结构外表添加外包层, 可以现浇成型, 也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强, 以限制收缩裂缝, 并保证外壳的强度。

2.3 钢结构内充水 (水套)

空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度, 水在钢结构内循环, 吸收材料本身受热的热量。

2.4 屏蔽

钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内, 或将构件包藏在两片墙之间的空隙里, 只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。这是一种最为经济的防火方法。

3 钢结构的管理

运用这些高层钢结构具有很多的优点, 但是在防火方面, 它的优点就没有那么的明显了。一旦高层建筑发生火灾, 火没有在短时间内扑灭, 那么对于整个建筑就具有毁灭性的灾害, 火势就会蔓延得很快, 会对人员伤亡和财产损失方面造成难以估量的损失。这就要求对于刚结构方面加强防火方面的措施, 不断的进行防火方面的保护, 就要求在建筑设计是不断地进行改进。

3.1 严把建筑消防设计审核关

在审核钢结构建筑项目时, 必须明确建筑物的使用性质、耐火等级、火灾危险性分类、生产工艺流程、防火涂料的施工方法等消防设计内容。

3.2 加强消防宣传和施工人员培训

钢结构建筑存在火险隐患原因是多方面的, 但很重要的一个原因是消防安全意识淡化, 施工人员违规施工。

3.3 加强对防火涂料市场的规范管理凡是防火涂料的生产厂家必须有国

家检测机构检测合格的报告, 方准出厂销售, 并应附有使用说明书, 标明技术性能、制造批号、储存期限、适用范围;消防监督部门应对每批防火涂料进行出厂前的质量抽检, 并检验其包装、标贴、说明等是否符合规定要求。

3.4 及时进行施工现场检查

对于施工现场的各种材料工具都要不断的进行检查, 而防火涂料在施工中是一个比较快的工程, 能够加强对于施工现场的安全保护, 同时, 对于施工现场的不断的进行检查, 也能够加强对于施工现场的监督, 让施工人员在进行施工的过程中一直处于一个认真工作的状态。

3.5 严格验收标准

在工程完工之后, 需要对工程进行验收, 这就需要各部门对于整个工程的质量进行严格的把关, 同时, 消防部门应该收到建设、施工、监理等单位出具的质量检测报告, 这样才能够保障质量的合格, 对于工程的整个施工状况进行一个整体的把握。

结语

现在钢结构建筑发展仍然比较缓慢, 在未来的发展前途中具有很重要的作用, 同时也会变成一种一类建筑结构, 这就需要对于钢结构的防火工艺方面进行进一步的探索与研究。这样就需要不断地与其他部门不断的进行合作与配合, 在检验机构、生产、设计、施工、监理和消防监督方面不断地进行合作, 共同努力为钢结构的建设发展做出自己的贡献。不断的建立完善合理的监督机制, 对于钢结构的施工与生产不断的进行监督, 这样能够把钢结构的施工处于合理的范围之内, 是我国的钢结构建筑防火安全方面不断地提高。

参考文献

[1]建筑钢结构防火技术规范.中国计划出版社, 2006.

[2]王华进.钢结构防火涂料存在的问题及对策[J].中国涂料, 2005.

钢结构施工成品保护措施 篇4

工程生产过程中，制作、运输等均需制定详细的成品、半成品保护措施，防止变形及表面油漆破坏等，任何单位或个人忽视了此项工作均将对工程顺利开展带来不利影响，因此制定以下成品保护措施。工程制作产品保护措施

1.成品必须堆放在车间中的指定位置

2.成品在放置时，在构件下安置一定数量的垫木，禁止构件直接与地面接触，并采取一定的防止滑运和滚运措施，如放置止滑块等；构件与构件需要重叠放置的时候，在构件间放置垫木或橡胶垫以防止构件间碰撞。3.构件放置好后，在其四周放置警示标志，防止工厂其它吊装作业时碰伤本工程构件。

4.针对本工程的构件有不少管子散件的特点，设计专用的箱子放置工具 5.在成品的吊装作业中，捆绑点均需加软垫，以避免损伤成品表面和破坏油漆。

6.工厂涂装过程中应作好摩擦的保护工作。运输过程中成品保护措施

1.构件与构件之间必须放置一定的垫木、橡胶垫等缓冲物，防止运输过程中构件因碰 撞面损坏。

2.散件按同类型集中堆放，并用钢框架、垫木和钢丝绳进行绑扎固定，杆件与绑扎钢丝绳之间放置橡胶垫之类的缓冲物。

3.在整个运输过程中为避免涂层损坏，在构件绑扎或固定处用软性材料衬垫保护。

4.构件运输过程中，作好构件摩擦面防雨淋措施。现场拼装及安装成品保护措施

1.构件进场应堆放整齐，防止变形和损坏，堆放时应放在稳定的枕木上，并根据构件的编号和安装顺序来分类

2.构件堆放场地应做好排水，防止积水对构件的腐蚀 3.在拼装、安装作业时，应避免碰撞、重击

4.少在构件上焊接过多的辅助设施，以免对母材造成影响 5.吊装时，在地面铺设刚性平台，搭设刚性胎架进行拼装，拼装支撑点的设置，要进行计算，以免造成构件的永久变形

6.冬季构件安装时，应用钢丝刷刷去摩擦面的浮锈和薄冰，保证干燥，无其他影响摩擦面的因素存在

7.现场焊接、破损的母材外露表面，在最短的时间内进行补涂装，除锈等级达到St3级，材料采用设计要求的原材料 后期成品保护措施

1.焊接部位衣时补涂防腐涂料；

2.其它工序介入施工时，未经许可，禁止在钢结构构件上焊接、悬挂任何构件；

钢结构防火保护措施 篇5

一、钢结构防火保护方法

目前, 钢结构防火保护方法主要包括钢结构防火涂料保护, 给空心钢构件内充水, 用浇筑混泥土将钢构件包起来等方法。钢结构防火涂料的保护方法有很多特点, 如价格便宜、成本低、施工效率高、应用范围广等。选择防火措施化合物的保护, 要充分考虑到钢结构的材质。应用防火性能好, 便于施工和经济适用性高的化合物。

二、钢结构防火涂料的防火原理及分类

钢结构防火涂料可以刷涂或结构喷涂, 通过钢结构表面形成的耐火绝缘材料, 实现阻断火焰燃烧的目的。当前, 生产的各种规格的产品, 基本能够满足各类建筑钢结构防火保护的需要, 并制定相应的技术标准和技术规范, 保证了钢结构防火涂料质量的稳定和提高。

防火涂料根据用途不同分为室内使用和室外使用。1.室内钢结构或隐藏在表面上建筑钢结构防火涂料。2.室外钢结构涂层位于钢结构建筑项目的表面上。通过使用厚度不同, 可分为:超薄钢结构防火涂料, 3毫米以下厚度的耐火隔热溶剂 (在扩大气泡密度优先的条件下减慢钢的升温速度从而提高钢结构的耐火性) , 金属表面结构防火涂料, 涂层厚度大于3毫米, 小于或等于7毫米优先水溶剂 (在发生火灾的情况下扩大, 气泡的形成缓慢, 使温度停留在钢耐火材料和热绝缘层的基础上以保护钢构件) 。3.对于较厚的钢材, 防火涂料的涂抹要大于7毫米, 小于或等于45毫米, 主要是涂导热性差, 耐热性高的材料, 以对钢材进行保护。

三、存在的主要问题

(一) 技术层面存在的问题

1. 耐久性问题。

特殊钢结如薄和超薄型钢材, 在大多数情况下, 这种钢材一般涂抹的是有机材料, 由于其会受到太阳、风、酸雨腐蚀, 且降解可能导致某些部件老化, 由于防火涂层会发生裂化和脱落, 从而导致防火阻燃涂料性能大大降低。

2. 标准性问题。

对钢结构防火涂料检验耐火性能, 由于钢材尺寸大小的不同, 在实际使用钢构件如何测量和涂层厚度并没有具体的规定。

(二) 生产、流通、使用领域的问题

1. 生产领域。

近年来, 消防产品质量差, 防火涂料质量得不到保障的现象屡见不鲜。这些问题的主要来源是一些厂商还停留在初级阶段, 设备技术都比较落后, 这对钢结构的整体防火性造成了巨大的影响。

2. 流通领域。

用于保护钢结构防火涂料的耐火试验报告, 必须要有国家检验机构和物理化学性能检测报告, 必须是在监督下经消防部门颁发的生产许可证明。然而, 通过联合检查, 消防部门、工商部门发现, 钢结构防火涂料在市场上流通很混乱, 均存在假冒伪劣产品。

3. 使用区域。

施工队伍, 一定要对钢结构防火涂料进行一定的保护措施, 因此必须选择经过培训合格的专业施工队伍。一些施工单位使用不合格施工队伍, 在进行钢结构厂房工程的防火检查时, 消防部门发现了很多问题, 因此不专业的施工队伍会导致涂层工程的不合格。

四、消防管理对策

(一) 正确选择防火涂料种类

目前, 市场上防火涂料防火性能各不相同。按照实际情况选择时, 应该选择不同类型、不同耐火极限要求的钢结构防火涂料。不到1小时的耐火性能要求, 可选用超薄型防火涂料;小于2.5小时的耐火性能要求, 可以选择薄或厚型防火涂料;耐火极限大于2.5小时, 应选择厚型防火涂料。室外钢结构应选择适合户外钢结构防火涂料, 镀层性能测试项目后无明显变化, 可选择多种阻燃涂层。在施工中, 要根据不同的施工需求选择防火涂料。

(二) 强化生产、销售领域的监管

根据有关法律法规规定, 防火涂料质量技术监督部门处理应该加大力度检查各个种类防火涂料的质量, 制造商必须有质量监督检验中心的检验报告, 且国家行政主管部门核发的证书, 必须由公安消防产品合格评定中心认可。出售单位应在产品信息方面表明防火涂料的生产厂家。对于不合格产品, 危害公共安全或无牌无照经营或销售伪劣产品的, 按照法律规定, 工商及质量监管相关部门, 应严格查处。

(三) 严格开展施工现场检查

工程建设施工现场防火涂料的检查, 可以对施工队、施工质量以及产品中出现的问题及时的督促整改。在施工现场, 施工单位应定期检查消防设施工程专业承包资质证书、安全生产许可证, 并进行随机抽样, 检查是否使用了防火涂料。通过在建设过程中抽查, 督促建设单位、施工单位、监理单位落实各自的职责, 避免在购买、建造过程中, 对防火涂料掺杂、掺假、以次充好等现象的发生, 避免在实际使用过程中, 不合格产品替代合格产品。

(四) 严格验收标准、严把消防验收关

在消防工程建设和竣工阶段, 应严格抽查防火涂料的使用状况, 并制定相关的检测报告, 以保证钢结构防火涂料的施工质量。防火涂料工程中的采购合同、发票和购买记录等, 要严格把关, 以确保防火涂料的质量。根据消防产品使用规则严格控制现场施工状况, 检查、监督的同时还要摸透现场, 还应配置测厚仪和其他必要的检测设备。

参考文献

[1]杜鹏.浅谈对防火涂料的几点看法[J].辽宁建材, 2011, (09) .

[2]梁清泉.防火涂料的发展前景及方向分析探讨[J].中国科技信息, 2011, (04) .

钢结构防火保护措施 篇6

一、钢结构防火保护方法

现阶段钢结构防火保护方法众多, 钢结构建筑施工企业可以对钢材进行防火材料涂抹, 或者是在钢材表面进行混凝土浇筑, 还可以把组成钢结构的构件设置成为空心, 空心中注入水资源进行防火保护。对于钢结构防火措施的选择需要依据工程建设的实际情况和钢结构的施工部位。提前分析防火处理后钢结构的综合性能的变化, 有利于施工工作的开展。对众多的钢结构防火措施进行深入分析发现, 钢材进行防火材料涂抹这种施工方式非常便捷, 而且施工成本较低, 防火性能较为良好, 在很多建筑工程钢结构建设中都可以应用。

二、钢结构防火涂料和防火原理及分类

(一) 钢结构防火涂料的防火原理

钢结构防火涂料的防火原理就是在钢材的表面或者在建筑物的表面涂抹一层材料, 材料具有良好的隔热和吸热性能, 从而避免高温度的火焰直接对钢材进行灼烧, 这样在钢材的表面就形成了隔热层, 提升了钢结构的耐火限度。我国对于钢结构防火涂料的研究非常重视, 现阶段已经能够满足众多建筑工程钢结构的防火需求, 这对促进我国建筑行业发展有着不可忽视的影响力。而且, 还对防火材料的涂抹技术进行了规范, 使得我国钢结构的防火性能得到稳定提升。

(二) 钢结构防火涂料的分类

钢结构防火涂料依据应用的场所不同进行分类, 可以分为两种类型, 第一种主要应用于室内, 对建筑结构中隐藏钢结构表面进行防火材料的涂抹。第二种就是用于室外钢结构表面的防火涂抹材料。二者有着很大的差异性, 室外钢结构会处于露天环境中, 与室内隐藏钢结构的防火需求不同, 因为室外会受到外界环境的影响, 高强度的阳光照射, 以及雨水的冲刷, 对于防火涂料有着很高的需求。依据防火材料的涂抹厚度进行分类, 对于厚度较薄的钢结构, 防火材料的涂抹不能超过3毫米, 主要是以溶剂型防火材料为主, 防火材料与火焰接触后会发泡形成密度较高的防火隔层, 缓解钢材温度提升的时间, 从而促进钢结构的耐火限度;对于厚度较高的钢材, 防火材料的涂抹需要超过7毫米, 并且控制在45毫米以下, 这种防火涂抹材料应用较少, 主要是在导热性较差、耐热性较高的钢材表面涂抹, 来对钢结构的构件进行保护。

三、存在的主要问题

(一) 技术层次存在的问题

首先, 需要考虑的就是耐久问题, 特别是较薄钢材防火材料的涂抹, 该种涂抹材料主要是由有机物组成的。在阳光照射、雨水冲刷等自然因素的影响下, 会导致其中的某些成分发生降解, 导致防火涂层断裂, 部分防火涂抹材料脱落, 导致钢结构的防火性能下降。其次就是检测标准存在的问题, 对于钢结构涂抹材料进行耐火性能检验时, 由于钢结构中应用的钢材构件尺寸不同, 如何确定钢构件防火材料的涂抹厚度, 现阶段还缺乏明确的规定。

(二) 生产、使用领域存在的问题

现阶段我国很多防火涂抹材料的生产企业规模较小, 企业现代化建设水平较低。对建筑市场进行深入调查发现, 目前市场流通的很多钢结构防火涂抹材料质量较差, 没有达到国家要求的标准。主要因为生产企业防火涂抹材料生产技术较差, 设备较为落后, 且防火涂抹材料的生产过程缺乏有力的监督和管理。一些建筑施工企业为了缩减工程建设成本投入, 购买一些价格低廉、质量较差的防火涂抹材料, 这对于钢结构整体防火性能造成了不良的影响。

四、消防监督管理对策

(一) 应用正确的防火涂抹材料

目前建筑市场具有的钢结构防火涂抹材料众多, 防火性能方面也有着很大的差异。建筑企业需要依据钢结构建设的用途以及实际情况, 合理、科学地选择钢结构防火涂抹材料。在钢结构防火材料使用前, 相关施工人员需要对防火材料的性能进行检验, 并在室外进行试验, 对涂抹防火材料的钢构件进行火焰灼烧, 经过一段时间后查看涂抹层以及钢结构的变化情况。一定要保障防火材料质量满足钢结构防火处理的实际需求, 还要确保防火材料在经过火焰灼烧后不会产生对人体有害的物质。只有防火性能较为良好的涂抹材料, 才能应用到工程实践中去。对于钢结构的不同区域, 需要选择不同的防火材料进行涂抹, 同时还需要考虑工程的美观性。

(二) 加强建筑市场监督力度

我国政府部门需要加强建筑市场监督力度, 避免质量较差的防火涂抹材料进入到建筑市场中。我国产品质量检验部门, 需要对众多的涂抹材料生产厂家进行审核, 对生产厂家的产品质量进行检验, 对于没有营业执照, 或者恶意生产劣质防火材料的厂家需要进行停业整顿处理。建筑企业在对涂抹材料进行采购时, 需要厂家出示防火涂料国家检验合格证书, 并且要求厂家提供产品的性能资料。

五、结语

钢结构在我国很多建筑工程建设中都有着普遍的应用, 虽然钢材属于不易燃烧材料, 但是如果钢材的温度达到600摄氏度以上。钢结构的稳定性就会严重下降, 导致建筑结构坍塌, 不仅会造成严重的经济损失, 甚至还会对人们的生命安全造成严重威胁。因此必须要加强钢结构的防火处理, 合理、科学地选择钢结构防火涂抹材料, 加强消防监督力度, 促进我国建筑行业的不断发展。

摘要：钢结构是建筑工程建设中普遍应用的结构, 对于增强建筑工程的稳定性, 降低原材料的应用, 缩减工程建设成本有着积极的影响力。由于媒体建筑火灾事故的相关报道, 钢结构的防火性能受到社会的密切关注。因此相关工作人员必须要对防火保护和防火涂料的防火原理进行深入分析, 从而正确地应用钢结构的防火涂抹材料, 并加强施工现场的监督, 对防火处理质量进行排查, 从而加强钢结构的防火性能。本文对钢结构的防火保护和防火涂料的防火监督进行深入分析, 希望对相关人员有所启示。

关键词：钢结构,防火保护,防火涂料,防火监督

参考文献

[1]杜鹏.浅谈对防火涂料的几点看法[J].辽宁建材, 2011, (09) .

[2]梁清泉.防火涂料的发展前景及方向分析探讨[J].中国科技信息, 2011, (04) .

钢结构防火保护措施 篇7

关键词：航站楼,钢结构,消防设计

1 工程概述

厦门高崎国际机场T4航站楼 (如图1所示) , 按年旅客吞吐量1 000万人次~1 200万人次, 总建筑面积1.06×105m2要求设计。整个航站楼由主楼和指廊组成, 二者通过架空连廊连接。连廊与主楼相通处设耐火极限为3.0 h的防火卷帘做防火分隔。航站楼主楼包括T4航站楼一期工程 (主楼 (1) 轴~ (14) 轴以西) 与厦门机场T4航站楼二期工程。该工程主楼屋面、2层以上及指廊屋面均为钢结构, 建筑结构的类别为乙类, 设计使用年限为50年。为分析航站楼二期工程对整个T4航站楼的影响, 本文仍以T4航站楼主楼工程 (包括T4航站楼的一期和二期部分, 但不包括西侧指廊) 为分析对象。

2 消防设计存在的疑点

厦门高崎国际机场T4航站楼工程属于大型公共建筑, 钢结构柱及屋面被大量运用在该项目中, 虽然钢材为非燃材料, 但根据钢材特有的物理性质使得在火灾发生时, 钢结构受高温连续炙烤, 热羽流容易导致钢结构变形甚至坍塌, 给建筑结构主体造成破坏。依照现行国家防火技术规范关于钢结构防火要求的规定, 难以实现本项目特定的使用功能和需求, 因此性能化防火设计的分析论证显得极为重要和必要[1]。在实践设计中, 该工程钢结构是否需要进行防火保护措施以及采取何种形式的保护方案成为设计中的一大难点和疑点。通过采取性能化的分析论证, 最终要求该工程钢结构部分可以达到国家现行规范要求的同等水平。

3 分析与判定

3.1 分析方法

根据目前国内研究表明, 建筑构件的失效标准是作为建筑结构耐火设计的性能判定的主要依据。因此, 本文亦采用同样的标准和分析方法:即在火灾条件下, 当结构内部温度均匀时, 若取结构达到承载力极限状态时的内部温度为临界温度Td, 则应不小于在耐火极限时间内结构的最高温度Tm, 即Td≥Tm的判定方式进行钢结构耐火分析[2]。具体方法是在该工程不同位置设定具体的火灾场景, 按照《建筑物性能化防火设计导则》所明确的经验公式以及FDS模拟两种方法计算钢结构的最高温度。在耐火极限大于钢结构最高温度的时候, 可以初步判定钢结构无需采取保护措施;在耐火极限小于钢结构最高温度时, 可以初步判定钢结构要采取相应的保护方案。

3.2 判定标准

537℃是钢结构失效的临界温度[3], 据权威研究结果显示, 当温度在537℃时, 钢的屈服应力会随温度的逐步升高而迅速降低, 根据图2显示钢的强度随温度变化的曲线可以推算出, 其屈服应力会降低至正常值的60%。但是, 当环境温度小于537℃时, 钢材的强度变化较为不明显, 特别是小于300℃时, 强度下降较小, 但是当温度逐步超过300℃以后, 则钢的强度会有明显的迅速下降。根据这一理论, 本文将300℃作为保守计算钢结构失效的环境温度, 此数值计算产生的各种结果也较为接近保守情况。

4 经验公式计算

4.1 环境温度计算

本文所采用的平均火焰高度计算公式为:ISO 16734《Fire safety engineering-Requirements governing algebraic equations-Fire plumes》:

其中, 为火源热释放速率, k W;D为火源等效直径, m;L为平均火焰高度, m。

对火羽流的温度的计算方法, 本文采用虚拟点火源位置的方法计算, 因为该工程的火源面积是在一定范围内[4]。同时, 当火源面积设定在某一特定范围内, 火源可以位于虚拟点火源的上方, 也可以位于其下方, 具体如图3所示。

虚拟点火源的位置可用式 (2) 计算:

火羽流中心线的平均温升可用式 (3) 计算

4.2 钢结构温度计算

在火灾中, 钢构件的温度可以通过以下方法计算:

其中, t为升温时间, s;Δt为时间步长, 一般不应大于5 s;Ts, Tg分别为火灾下钢构件的内部温度和周围空气的温度, ℃;ρs为钢材的密度, kg/m3;cs为钢材的比热, J/ (kg·K) ;F为单位长度构件的受火表面积, m2/m;V为构件单位长度的体积, m3/m;α为综合热传递系数, W/ (m2·K) ;αc为空气与构件表面间的热对流传热系数, αc=25 W/ (m2·K) ;αr为空气与构件表面之间的热辐射传热系数, W/ (m2·K) ;εr为综合辐射率, εr=0.5;σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数, σ=5.67×10-8W/ (m2·K4) 。

钢构件表面积及所接受的辐射热流决定了钢构件的温度[5], 上述公式的逐步计算也再次证明, 一般情况下, 环境温度始终是高于构件的温度, 只有经过较长时间的受热时, 环境温度才会同构件温度趋近, 同时, 当构件形状系数本身较低时, 环境温度也会同构件温度逐步趋近。所以, 在保守估值下, 本文所取的构件温度应当低于或者接近于环境温度[3]。

4.3 计算结果

本文利用公式计算了不同部位发生火灾时机场航站楼上部空间钢构件的温度, 计算的不同高度处温度变化曲线如图4所示。

计算表明办票岛、商铺发生火灾时, 火源上空7 m处的温度为300℃;厨房发生火灾时, 火源上空7.6 m处的温度为300℃;出发区休息厅上空5.1 m处的温度为300℃, 因此当距离楼地面7.6 m以上部位的钢结构在火灾时受火灾影响较小, 钢结构强度未发生降低。因此, 距离楼地面8 m以上的屋顶钢结构在保守估算情况下, 可以不用进行相应的防火保护措施。

5 FDS模拟计算

根据该工程对设定火灾场景的模拟结果 (本文选取三组模拟场景) , 通过火灾场景可以得知屋顶钢结构在最不利条件下, 时间变化曲线同火羽流中心轴线的烟气温度的变量关系, 如图5所示[6]。

上述测试结果和FDS计算显示, 在预设的特定火灾场景, 当建筑内部的自动喷水灭火系统和自动防排烟系统全部处于关闭或者停止的状态下, 距离楼地面8 m以上的屋顶钢结构温度均不大于300℃, 因此可不进行防火保护。

6 结语

从安全角度考虑, 距离航站楼及连廊内楼 (地) 面 (包括房中房顶板) 8 m高度以上的钢构件不需要采取防火保护措施, 其余部分即8 m以下的钢结构必须采取防火保护, 且屋顶钢构件的耐火极限应不小于1.5 h。当钢柱设置在商铺、餐厅等功能用房内时, 其耐火极限不应小于3 h;钢柱若不设置在功能用房内, 可通过分析可燃物持续燃烧时间以及消防队对火灾干预时间确定其耐火极限。

公共空间区域内的可燃物主要为零售摊位、行李。零售摊位:零售摊位的火灾荷载密度为500 MJ/m2~1 000 MJ/m2。假设零售摊位火灾荷载密度为1 000 MJ/m2, 火灾保持4.5 MW稳态, 则火灾持续时间为1 000×9/4.5=2 000 s, 约33 min;大件行李:假设每根钢柱旁同时停放4辆小推车, 每辆小推车放置2件20 kg行李, 普通行李的燃烧热约为20 MJ/kg, 则设计大件行李火灾总的燃烧热为4×2×20×20=3 200 MJ。火灾保持2.7 MW稳态, 则火灾持续时间为3 200/2.7=1 185 s, 约20 min。同时, 根据前期机场出警时间测算, 机场消防队可在火灾发生后7 min对火灾进行有效干预。综合上述分析并考虑一定安全系数, 当钢柱不设置在功能用房内时, 其耐火极限不应小于2 h。

参考文献

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[5]Fire Code Reform Center Limited.Fire Engineering Guidelines, First Edition[R].1996.

钢结构防火保护措施 篇8

核电站非能动实体防火保护结构是一种由热绝缘材料构成的、具有耐火性能的实体隔离结构, 确保位于防火区内被保护设备在规定时间内其功能的有效性。该防火结构长期依赖进口, 国外厂商对关键参数保密, 国产化难度非常大。

自岭澳二期核电站起, 该装置的供货均由国外某厂商独家垄断, 采购费用昂贵。同时, 国外供应商在我国没有设立技术服务中心, 某项目出现安装问题后, 其技术工程师从国外派遣, 中方需承担交通、食宿、现场服务费, 增补的货物海运至现场的时间至少为一个月, 严重滞后了工程进度, 增加了建造成本。

随着国内需求量的增长, 无论从造价还是安装技术指导, 都需要打破国外供应商垄断, 研制国产的具有自主知识产权的非能动实体防火保护类产品。

1 非能动实体防火保护结构的型式和组成

1.1 非能动实体防火保护结构的形式

根据所保护设备的不同, 非能动实体防火保护结构分为三种结构形式, 防火屏障 (图1所示) 、防火包覆 (图2所示) 和防火箱体 (图3所示) 。

1.2 非能动实体防火保护结构的组成

非能动实体防火保护结构包括以下组成部分:

(1) 防火纤维棉毯:非能动实体防火保护中执行防火功能的主材, 采用矿物岩制成的纤维棉毯, 其耐辐照性好, 使用寿命长。

(2) 胶粘剂:主要用于防火纤维棉毯、玻璃纤维橡胶布、混凝土、金属基底之间的粘结。

(3) 玻璃纤维橡胶布:一种以玻璃纤维布为基底, 表面涂覆橡胶层的防水布。防止陶瓷纤维毯散落, 保护其不受外部环境影响, 发生失水事故时不破裂, 不堵塞安全壳喷淋系统的地坑过滤器。

(4) 密封胶:用于玻璃纤维橡胶布接缝处的密封, 形成完整的防渗漏整体。

(5) 通风膨胀模块:该模块既要保证低压动力电缆正常运行时 (最高正常运行温度90℃) 的通风, 又要保证发生火灾时能迅速闭合。

(6) 耐火板:用于制作防火箱体的防火门, 以保证可以对被保护设备进行检修。

(7) 支撑体系:保证非能动实体防火保护结构在正常条件下的稳定性以及地震载荷作用下的完整性。其他防火材料通过铆接以及粘接的方式固定在支撑体系上。

2 材料的选型和研发

2.1 防火纤维棉毯的选择

防火纤维棉毯是非能动实体防火保护结构的核心材料, 它直接决定了整个防火保护装置是否能满足1.5h耐火等级的要求。

防火纤维棉毯密封在防火装置内部, 不与环境直接接触, 不需要具有抗DBA (设计基准事故) 、放射性核素去污的能力。不同材质的防火纤维棉毯的物理性能对比见表1:

根据耐火试验标准温升曲线的方程, 1.5h耐火极限的最高温度为1027℃, 从上表可见只有陶瓷纤维棉的使用温度满足该条件。采用陶瓷纤维棉毯作为优选方案。

2.2 耐火板的确定

对于防火箱体这种保护形式是将所保护的设备进行实体隔离, 以避免受到火灾事故的影响, 但是这种保护方式也不可避免的将相关设备置于封闭的空间, 导致其无法在核电厂正常运行条件下进行检查或维护, 如图3所示, 这种情况下必须把防火箱体的其中一面设计成为可以反复打开和关闭而不破坏其结构的保护形式, 满足受保护的设备进行检修维护的需要, 因此将防火箱体的其中一面设计成为可以使人员正常进出的防火门, 其通过机械锚固在支撑体系上, 由具有耐火极限要求的耐火板组成。

耐火板作为防火箱体结构的一个外露表面, 与环境直接接触, 因此要求具有抗DBA性能以及可以去除表面放射性核素沾污的性能。同时, 作为该防火结构的一个支撑面, 要求其具有一定的刚性, 可以经受一定程度的碰撞。另外, 作为防火箱体结构的一个防火面, 要求耐火板具有一定较高的使用温度和较低的导热系数。

根据上述的要求, 选定了在核电站内常用的硅酸钙耐火板。

2.3 胶粘剂的选择

由于非能动防火保护结构的主体材料是由两层防火纤维毯组成, 因此两层主体材料之间就必须有相应的材料进行黏结, 以防止主体材料之间脱落或出现空隙。同时, 为了保证整个玻璃纤维橡胶布与纤维棉毯形成一整体, 防止硅布与陶瓷棉之间发生纵向窜动, 在支撑体系的不锈钢护板和内层纤维毯之间也要涂刷胶粘剂进行粘结。

胶粘剂在装置内部使用, 不与环境直接接触, 不需要具有抗DBA、放射性核素去污的能力。各类胶粘剂的性能对比见表2:

环氧树脂类和酚醛树脂类最高使用温度不能满足1100℃的设计要求。磷酸盐类和硅酸盐类耐辐照性好, 最高使用温度满足设计要求, 但磷酸盐类p H值呈酸性, 不能用于混凝土或金属基底上。选择偏碱性的无机硅酸盐胶粘剂作为优选方案。

2.4 玻璃纤维橡胶布的选则

玻璃纤维橡胶布位于整个防火保护结构的最外层, 应具有良好的韧性、耐辐照性能和可去污性, 能承受DBA试验。对JC/T171《涂覆玻璃纤维布》标准中涉及的橡胶涂覆层进行了以下对比, 如表3所示:

抗DBA试验最高温度会达到156℃。天然橡胶、丁腈橡胶的使用温度较低, 在DBA试验时易脱落、粉化;乙丙橡胶的耐辐照性能差, 长时间处于辐照环境下, 易脆化;硅橡胶具有良好的耐酸、耐水和耐辐照性, 寿命较长, 使用温度较高。选用硅橡胶涂覆玻璃纤维布 (简称硅布) 作为优选方案。

2.5 密封胶的选择

密封胶在防火保护结构中主要用于外层硅布间的搭接、硅布与混凝土、金属支撑、电缆管道贯穿件等缝隙处的密封, 从而形成一个连续的光滑可去污表面, 形成完整的防渗漏整体, 将主体防火材料陶瓷纤维毯完全包覆在硅布内部。

目前, 国内所使用的密封胶种类繁多, 在选型时主要考虑目前在国内外应用比较广泛的聚丙烯酸酯类密封胶、聚氨酯类密封胶和硅酮类密封胶, 其优点和缺点分析见表4:

硅酮密封胶工作温度为-50~200℃, 能承受DBA试验时的最高温度, 且耐辐射性好, 使用寿命可达20年以上。最终采用核电站反应堆厂房已使用的硅酮密封胶作为优选方案。

2.6 通风膨胀模块密封条的选择

膨胀模块采用刚性防火板为基底框架, 复合遇热膨胀密封条。膨胀密封条的起始膨胀温度应在大于90℃ (电缆最高正常运行温度) 的基础上越低越好 (遇热及时膨胀) , 此外还要求耐辐照性能好。通过对具有遇热膨胀特性的材料进行如下对比 (图5) 。

膨胀硅酮橡胶属于耐辐照性好、使用寿命长的橡胶类产品, 经常用于航空航天系统, 其低温膨胀性能优越, 满足防火包覆通风散热部件的功能要求。选择膨胀硅酮橡胶作为优选方案。

2.7 支撑结构的设计

选用60*60*6的方钢作为支撑体系的主要组成部分 (柱和梁) , 材质为Q235B, 做热浸镀锌防腐处理, 镀锌厚度不低于70微米。

由于安装非能动实体防火保护结构时现场各设备已经到位, 因此, 支撑结构的设计必须以现场测量的数据为基础, 配合ANSYS软件, 对非能动实体防火保护结构进行三维有限元模型抗震性能分析, 地震荷载采用相关项目核岛厂房楼层反应谱, 如不满足抗震要求则进行进一步的加固措施, 直到满足抗震要求为止。

3 耐火极限测试

非能动实体防火保护结构的耐火极限测试按照GB/T9978.1中的标准温升曲线及试验条件进行, 所使用的测试试件的尺寸为2000mm×2000mm×1200mm, 并设置有管道、电缆和电缆桥架等贯穿物, 贯穿物采用陶瓷纤维毯包裹, 试件结构如图4所示。

测试时, 将测试用构件整体放入试验炉中, 用炉盖板封闭炉膛口。用于测量箱体内部温度的热电偶, 主要布置在箱体的中心、箱体上部四个顶角、防火门的缝隙处以及贯穿物项上, 共布置热电偶21个。

耐火极限的测试时间为1.5h, 试验结束后, 应对试件的完整性进行评价并记录内部热电偶的温度。

4 试验结果

非能动实体防火保护结构的耐火极限测试及核电站特殊使用环境测试的结果见表6, 经测试, 非能动实体防火保护结构的国产化产品满足相关技术规格的要求, 完成了核电站非能动实体防火保护结构的自主研制任务, 实现了国产化。

5 重要意义

核电站非能动实体防火保护结构的国产化产品, 报价至少比国外同类产品低40%, 且具有全部自主知识产权, 可用于中核、中广核集团在建的M310机组, 具有较大的商业价值。

核电站非能动实体防火保护结构的成功研制, 增加了相关人员的设计经验, 实现了该产品的国产化, 打破了该产品长期依赖进口的历史, 对于我国核电站被动防火装置的研发工作具有重要意义。

摘要：自岭澳二期核电站起, 非能动实体防火保护结构的供货一直由国外厂商独家垄断, 采购费用昂贵, 为降低建造成本, 打破技术壁垒, 急需对该防火结构进行国产化。通过对该防火结构技术要求的分析, 并考虑核电站特殊的使用环境, 对组成该防火结构的材料进行了选型, 制作了样件, 并对样件进行了耐火极限的测试。最终, 研制出满足M310二代加核电站设计要求的非能动实体防火保护结构, 实现了国产化, 填补了国内空白。

钢结构防火保护措施 篇9

1 大空间建筑钢结构在火灾中的升温

研究表明,建筑结构或构件在大空间建筑火灾中所处的温度环境与小室火灾有较大差异。小室火灾的火焰温度通常较高,在建筑空间内温度场近似均匀分布。大空间建筑由于空间体积较大,火羽流与环境空气的热量交换在空间各点不均匀,烟气温度随几何位置的变化存在差异。大空间建筑火灾中,火源对钢结构的能量输入可分为烟气对钢构件表面的辐射传热、对流传热和火焰对钢构件表面的辐射传热,见图1所示。

1.1 烟气与构件的净辐射传热量

烟气与构件的净辐射传热量(Qg)用式(1)计算:

Qgr=εgεsc0Fs[(Tg+273)4-(Ts+273)4] (1)

式中:Fs为单位长度钢构件的外表面积,m2/m;εg、εs分别为烟气、钢构件表面的黑度;Tg、Ts分别为烟气、钢构件在火灾t时刻的温度,℃,烟气温度按文献[2]取值;c0为斯蒂芬系数,5.67×10-8 W/(m2·K4)。

1.2 烟气与构件的净对流传热量

烟气与构件的净对流传热量(Qsc)用式(2)计算:

Qsc=Fsαc(Tg-Ts) (2)

式中:αc为对流传热系数,W/(m2·℃),对纤维质燃烧火灾,可取25 W/(m2·℃)。

1.3 火焰与构件的净辐射传热量

火焰与构件的净辐射传热量(Qfr)用式(3)计算:

Qfr=εfεsφsfζFs(1-εg)C0[(Tf+273)4-(Ts+273)4] (3)

ζ=Fsr/Fs (4)

undefinedundefinedφisfFisr (5)

式中:Fsr为钢构件受火焰辐射有效表面积,m2,假定该有效表面积平行正对火焰面,且位于钢构件最下边缘处;φsf为钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火

焰面的辐射角系数,该微元表面的法线过火焰面形心,无量纲;εf为火焰的黑度,无量纲;Fisr为钢构件i的单位长度受火焰辐射表面积,m2/m;φisf为钢构件i上的微元表面对火焰面的辐射角系数;Tf为火焰的平均温度,℃;n为组成钢构件的板件数。

设定火源功率Q、火焰高度Hf、建筑空间高度和建筑面积A作为参数变量,研究表明,烟气温度Tg的最大值将随火源功率的增大而升高,随建筑空间高度和建筑面积的增大而减小,由式(1)、(2)可得烟气与构件之间的净辐射传热量Qgr和烟气与构件之间的净对流传热量Qsc与火源功率成正比,与建筑空间高度和建筑面积成反比。

式(3)中φsf根据式(6)计算:

undefined

式中:X=2a/C,Y=2a/C;C=H-Hf ;H为钢构件至火源面的垂直高度,m;Hf为火焰高度,m。钢构件与火源的空间关系如图2所示。

由式(6)可知,钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火焰面的辐射角系数φsf随火焰面距火源中心正上方钢构件表面微元距离C的增大而减小,再考察式(3)可知火焰与构件之间的净辐射传热量Qfr随距离C的增大而减小。

钢构件的总净吸热量Qj由式(7)计算:

Qj=Qgr+Qgc+Qfr (7)

由于在火灾中钢构件所能达到的最高温度与其总净吸热量Qj成正比,根据对式(7)中各项参数变量分析可知,在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积和火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比。

2 基于临界温度法的钢结构抗火设计

为保障火灾下钢结构的安全,传统钢结构抗火设计方法是基于标准构件的试验方法,对标准梁或柱施加设定的标准荷载,然后测定其在标准火灾升温条件下的耐火极限是否满足规范要求。由于标准构件的试验方法没有考虑构件在实际结构中的约束条件和整体结构的共同工作状态,按此方法对钢结构进行防火保护,在真实火灾场景中,结构可能是不安全的,也可能是偏于保守的。

考虑大空间建筑的火灾特性,对火灾下整体结构的抗火性能进行分析,可以确定荷载比R(火灾下结构的承载力与常温下相应的设计承载力的比值)下的结构在火灾中达到抗火承载力极限状态时构件截面上的温度最高值,该温度即为火灾下建筑结构的临界温度。

临界温度是基于结构的力学特性对整体结构进行抗火性能分析而得到的,因此,大空间建筑结构类型不同,影响其临界温度的关键参数也不同。对于门式钢刚架结构、平面桁架结构、四角锥体系网架结构、椭圆形平面、菱形平面以及抛物线形平面鞍形索网结构,其临界温度与影响临界温度的关键参数如表1～5所列,表中参数建议用于跨度不超过60 m且单体空间楼(地)面面积不超过6 000 m2的大空间建筑。

由表1可知,影响门式钢刚架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和形状系数K,K=L/h2;L为门式钢刚架结构的跨度;h为门式钢刚架结构梁柱节点处柱截面高度与梁截面高度的平均值。

由表2可知,影响平面桁架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和控制杆类型(火灾下构件的承载力与常温下相应的设计承载力的比值最大的杆件)。

由表3可知,影响四角锥体系网架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和温度场非均匀系数η(定量描述大空间建筑火灾中温度场非均匀性的参数,η值越小,温度场非均匀性越强)。

由表4、表5可知,影响椭圆形平面、菱形平面和抛物线形平面鞍形索网结构的临界温度的关键参数为结构荷载比和钢索预应力比。

如果火灾下结构构件的最高温度不大于其临界温度,则结构在火灾下不需防火保护。

3 确定钢结构不需防火保护的火源功率限值

如前所述,在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积和火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比。忽略在火灾中钢构件升温滞后于火灾烟气升温,取烟气最高升温等于钢构件最高升温,并设定在建筑空间高度确定时,取大空间建筑平面几何尺寸下限,地面面积为500 m2的建筑空间在火灾中烟气所能达到的最高温度为钢构件温度的代表值。

研究表明,当火焰面距火源中心正上方钢构件表面的距离足够大时,火焰辐射对钢构件升温的影响可忽略不计。由式(6)可知,火焰高度与火源功率成正比,距离与火源功率成反比。所以,当火源功率足够小且火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离足够大时,火焰辐射对钢构件升温的影响可忽略不计。火焰高度由式(8)计算:

Hf=0.23Qundefined-1.02D (8)

undefined

式中:D为火焰等效直径,m;Qs为火源功率设计值,kW;qe为单位面积火源功率,不大于500 kW/m2。

因此,对于确定空间高度的钢结构屋盖,可偏安全地通过限定火源功率使其结构构件在火灾中所能达到的最高温度不大于其相应的临界温度,从而得出大空间建筑的钢结构屋盖无需防火保护的结论。

根据以上分析,以建筑空间净高(钢结构最下边缘至火源面的垂直高度)和结构的临界温度为参数变量按以下步骤确定大空间建筑的钢结构屋盖火灾下无需防火保护的火源功率限值。

(1)当空间高度确定时,地面面积500 m2的建筑空间在火灾中烟气能够达到最高温度(即结构临界温度100～700 ℃)时的火源功率值,按文献[3]取值;

(2)按式(7)、式(8)确定火焰高度,按图2确定火焰面距火源中心正上方钢构件表面的距离,取qe=500 kW/m2;

(3)按式(6)确定钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火焰面的辐射角系数φsf,取ξ=0.7,F/V=300 m-1;

(4)判断步骤(3)计算所得的辐射角系数φsf是否不大于文献[10]中不需考虑火焰辐射对钢构件升温影响的角系数φsf限值。如果不大于该限值,则步骤(1)所确定的火源功率即为该空间高度钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值;否则,进行步骤(5)的计算;

(5)按步骤(4)中得到的辐射角系数φsf限值,根据式(4)可得火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离C,并由图2确定火焰高度,取大空间建筑火灾中火源面较大值a=3.5 m;

(6)按式(8)、式(9)可得步骤(5)所确定的火焰高度对应的火源功率,偏于安全地取qe=500 kW/m2,该火源功率即为该空间高度钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值。当建筑空间高度分别取6 m、9 m、12m、15 m和20 m时,按以上步骤可得大空间建筑钢结构不需进行防火保护的火源功率设计值限值Qs,如表6所列。在表6中,临界温度应根据结构类型分别按照表1～5确定;H为建筑空间净高。

表6所列大空间建筑钢结构不需进行防火保护的火源功率设计值限值是对参数偏于安全地取值的条件下得出的,对于超出表6火源功率设计值限值的火灾场景中的结构是否进行防火保护,可按步骤1～6计算确定。

4 算 例

某平面桁架结构立面见图3,单榀钢桁架几何尺寸为18 m(跨度)×2.1 m(高度),建筑空间尺寸为18 m(长)×42 m(宽)×10 m(高),杆件截面规格和内力值见图3所示。设计火灾场景:中速增长型火源,火源功率设计值Qs=5 MW,耐火极限2.0 h,按以下步骤对该平面桁架结构进行抗火验算。

4.1 确定结构荷载比R

与常温下设计荷载的布置方式相同,在火灾时的外荷载(按文献[6]中6.4.1条确定)作用下构件内力与构件极限承载力的比值为构件荷载比R(见表7),对于钢桁架结构当构件达到承载力极限状态即认为结构破坏,根据表7在此取结构荷载比R=0.79,该桁架结构的控制杆件类型为上弦压杆。

4.2 确定临界温度

根据R=0.79,控制杆件类型为上弦压杆,按表2可得该平面桁架结构的临界温度为520 ℃。

4.3 验算平面桁架结构是否进行防火保护

根据R=0.79,建筑空间高度为10.0 m,按表6可确定平面桁架结构不需进行防火保护的火源功率限值为8.05 MW。火源功率设计值为5 MW,小于火源功率限值,因此该平面桁架结构在火灾中烟气升温条件下不需进行防火保护。

5 结 论

(1) 在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积、火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比;

(2) 根据不同结构类型按表1～5确定其临界温度,然后根据建筑净高按表6确定大空间建筑火灾下的钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值,如果该结构所处火灾场景的火源功率不大于该火源功率限值,则该钢结构屋盖无需防火保护。此方法符合结构设计的安全性与经济性原则,并可使工程技术人员较方便地得出不需对钢结构进行防火保护的结论。

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