钢结构住宅建筑的防火

钢结构建筑的防火摘要：随着钢结构建筑的快速发展，作为建筑的一个分支，现如今与砌体结构、钢筋混凝土结构一样是建筑的重要组成部分。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、施工污染少、可循环再生、使用率高等一系列优点。可工业化生产，在工厂中预制后到现场整体装配，具备其他结构无法比拟的优点。然而在这些优点的背后，也伴随着钢结构建筑致命弱点—耐火性能差，高温下虽不燃烧，但极易发生变形和破坏。本文从钢材特点出发探讨了钢结构防火的研究与房展，以及钢结构防火设计的一些措施与注意事项。关键词：钢结构、钢材、耐火、防火设计、Abstract:Withtherapiddevelopmentofsteelstructurebuildings,abranchofabuilding,nowadaysandmasonrystructureofreinforcedconcretestructure,asistheimportantcomponentofthebuilding.Steelstructurehashighstrength,lightweight,good,constructionpollutionextent,circulatingregeneration,lessaseriesofadvantagesofhigherutilizationrate.Butindustrializedproduction,prefabricatedinfactoriestothewholeassemblyaftertheotherstructures,havetheincomparablevirtues.However,intheseadvantages,isaccompaniedbysteelstructurebehindfatalweakness-architecturalfireproofperformanceispoor,thoughnotburningunderhightemperature,buteasilyhappeneddeformationandfailure.Thispaperdiscussedfromsteelcharacteristicsofthesteelstructurefire-proofingresearchandexhibitions,andsteelstructurefire-protectiondesignandprecautionsofsomeofthemeasures.Keywords:steelstructurerolledsteelfire-resistantfireprotectiondesign正文引言:2010年11月15日14时，上海余姚路胶州路一栋高层公寓起火。据附近居民介绍，公寓内住着不少退休教师，起火点位于10-12层之间，整栋楼都被大火包围着，楼内还有不少居民没有撤离。大火导致58人遇难，另有70余人正在接受治疗。事故原因已初步查明，是由无证电焊工违章操作引起的，施工作业现场管理混乱，存在明显抢工行为；事故现场违规使用大量尼龙网、聚氨酯泡沫等易燃材料；以及有关部门安全监管不力等问题。2009年2月9日晚21时许，在建的央视新台址园区文化中心发生特大火灾事故，大火持续六小时，火灾由烟花引起。在救援过程中消防队员张建勇牺牲，6名消防队员和2名施工人员受伤。建筑物过火、过烟面积21333平方米，其中过火面积8490平方米，造成直接经济损失16383万元。还有很多这样的案例，对于火灾，根据国标《消防基本术语》可以定义为在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。随着我国越来越多的高层、超高层建筑和大空间、大跨度建筑出现在人们的视野，对于这些建筑特别像央视“过火楼”这种外形怪异的高层建筑，一般都是钢结构建筑或部分采用钢结构。因为混凝土结构重量太大，而钢结构由于自重比较轻可以做的很高很大。尽管钢结构具备这些比较轻、建造快、现场施工量小的优点，但是除了造价高外，它还有个致命的弱点那就是怕火——虽然钢材本身并不燃烧，但普通钢材在600摄氏度的环境下，强度就和面条差不多。一旦大火烧过，钢结构往往严重受损。如果救火时浇水，对其破坏将更加严重。钢结构高层建筑即使发生不大的火灾，技术上也必须拆除才能保证安全。因此，如何进一步完善和充实现有建筑防火规范中的相关设计要求、改进钢结构的耐火设计方法、合理确定建筑的火灾安全度，科学、经济地保障钢结构建筑的火灾安全和保护建筑内的人员生命与财产，便是我们所要研究的方向。一、钢结构建筑的特点1、钢材本身的特点l.1材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比．强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具塑性和韧性好的特点：塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能性和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。1.2材质均匀，与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。1.3钢材的重量轻钢材的强度比混凝土等建筑材料大的同时，钢材也比钢筋、混凝土轻。原因足钢材的强度与密度之比要比混凝上大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的13至14。2.钢结构建筑的应用优势2.1设计制造周期短，设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现场的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。2.2有利合理布置功能区间在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点，采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔灵活，可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，利用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小，可以增加使用面积，提高得房率。下图以梅山苑二期为例，从图中可见柱截面很小：2.3承载强度高，抗震性能好相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，由于钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小;而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。2.4施工优势突出，综合造价低现浇混凝土需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场作业量小，减少了施工临时用地，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。施工时可以节省支模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。资金价值在施工中充分体现，减少资金成本，对开发商的销售和资金回笼极为有利。钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。2.5符合节约型社会建设的要求钢结构适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起，实现综合成套应用，将设计、生产、施工、安装一体化，提高住宅的产业化水平。今后随着城市建设的发展，城市改造需要拆除大量的旧建筑，钢结构比传统结构的拆除更容易实施，钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小，符合可持续发展的要求。当然，钢结构也有一些缺点，如防火能力差、易锈蚀等。但这些问题随着科技的发展，设计的改进，先进的防火材料、防锈涂料及新型耐火耐候钢的出现将得到很好的解决。二、钢结构建筑防火的研究与发展1、钢结构防火的研究历史1.1国内外对钢结构的耐火性能与耐火承载力计算方法进行过大量研究在国外从20世纪60年代开始对钢管混凝土柱、压型钢板-混凝土组合板、钢-混凝土组合梁在火灾下的力学性能进行了大量理论分析和试验研究。我国从20世纪90年代开始对钢结构的耐火设计进行了研究，如原哈尔滨建筑大学。福州大学、同济大学、公安部天津消防科学研究所和清华大学等单位对钢结构构件平面钢框架结构的耐火性能进行了一系列研究，提出相关耐火承载力和保护层厚度的计算方法。在国内外多年的研究下，如今对于钢材和钢结构在高温下的强度、弹性模量及全过程曲线等；高温下钢材的热导率、比热、容重及膨胀系数等；高温环境中的破坏特征、不同构件形状或尺寸变化特征；构件和结构的耐火极限及全过程分析；构件和结构内部温度场的研究与分析计算；以及关于耐火保护层计算都形成了较为系统的理论。在火灾下单个结构构件的失效并不意味着整体结构的破坏。钢结构在局部构件发生破坏后仍将因结构内力重分布而具有一定承载力。另外，目前所采用的标准温升曲线受火条件只考虑了建筑内以纤维火灾为主的火灾发展过程，未考虑实际的火灾荷载、通风条件等因素，其结果与实际状况有较大差异。因此，如何采用计算机模型模拟真实的建筑火灾，并基于不同火灾条件下整体结构对火反应分析的结构耐火设计，是钢结构耐火研究的热点之一。而在建筑防火规范中进行基于建筑火灾安全性能化设计的规定，则是当前国内外消防安全工程领域内的重点课题，也是建筑防火规范的发展方向。所谓建筑的火灾安全性能化设计是区别于现行以处方式规范规定为基础进行设计的一种利用消防安全工程学等原理、以预定消防安全水平为目标的消防工程设计方法，可视为是对现行规格式规范进行等效定量的一种方法，也可视为是完全脱离规格式要求而制定的性能指标。设计人员按照设计对象的特性，按规范要求，采用规格式规范或以性能为基础的设计和评估方法来完成认为可接受或能够取得最低规定安全水平的设计。该方法包括：(1)建立消防安全总目标和子目标：(2)对火灾场景进行定性分析和概率分析；O)N用己被接受的工程应用工具、方法和性能判定标准，按照消防安全总目标和子目标对设计替代方案进行量化与评估。1．2．1．2钢结构耐火设计方法研究的发展状况随着人们对结构耐火认识的深入和结构计算理论的发展，钢结构的耐火设计方法也得到不断发展。主要分以下几个阶段：l、基于试验的构件耐火设计方法：通过在规定荷载分布与各国标准规定的火灾时间一温度曲线条件下对不同类型的构件进行大量耐火试验，取得试验数据并确定在采取不同防火措施后构件的耐火时间，以此作为建筑防火设计的依据。这种方法简单直观、应用方便，但难以考虑并模拟荷载的分布和大小、构件端部约束条件、实际受火条件等因素。在现行建筑设计防火规范的附录中给出的数据，均依赖此方法。2、基于计算的构件耐火设计方法：在考虑了荷载的分布和大小、构件端部约束条件等因素以后应用经典解析方法或有限元等数值方法，通过理论计算来确定构件的耐火极限。目前这种方法己被英国、澳大利亚、欧洲共同体等国家的设计规范采用。但这种方法的受火条件仍是以IS0834的标准升温曲线为基础。上述方法所取得的构件耐火极限状态不能表征整个结构的耐火极限状态，且试验费用较高，试验的受火条件及计算假设均与实际火灾有较大差异。因此，只有将整体结构的全过程对火反应分析作为结构耐火设计的基础，并按实际火灾场景的温度变化进行受火研究分析，才可能与真实状态接近。3、基于计算的结构耐火设计方法：结构作为一个整体承受荷载，单个构件的破坏并不意味着整个结构破坏。相反由于结构中的内力重分布，结构仍具有一定的承载力。因此，结构的耐火设计方法与实际状况更接近更合理。法国已采