高层钢结构的抗火防腐问题

高层钢结构的抗火防腐问题摘要：制约钢结构发展的因素很多，其中钢材耐火性差以及锈蚀问题成为影响高层钢结构安全的主要因素。本文首先简述了高层钢结构发展现状，然后着重论述了钢结构抗火与防腐问题以及一些应对措施。关键词：高层钢结构﹑抗火﹑锈蚀１高层钢结构发展现状自1885年美国芝加哥建起第一座高55米的钢结构大楼以来，一幢幢高层、超高层钢结构建筑如雨后春笋一般拔地而起。尤其大都市的一些标志性建筑大都为全钢结构。过去，由于受钢产量等的制约，我国钢结构应用相对较少。随着我国经济建设的迅速发展，工民建设计水平和施工水平的提高，建筑用钢材的多样化。很多大跨度场馆、高层建筑、构筑物以、工业建构筑的高塔及中小型建筑都采用了钢结构。目前，我国内地已建成和在建的高层钢结构工程已经超过50栋。但是与此同时也不能否认钢结构还存在着一些难以忽略的缺陷和隐患，主要就是耐腐蚀性差、耐火性差、钢材价格相对较高。２高层钢结构的抗火性能火灾时建筑物较常遭遇的意外侵害。事例数不胜数，火灾严重威胁着人民的生命安全和财产安全。钢材的性能受到温度的影响，钢材不耐火，且导热性能好。在正常的温度范围内（80℃～100℃）钢材的力学性能基本不随温度的变化而变化。当温度高于正常温度时，随着温度升高，屈服强度、抗拉强度和弹性模量等均有下降的趋势。但是当温度上升到250℃左右时，钢材的抗拉强度反而提高，同时塑性和韧性下降，这种现象被称为蓝脆现象。当温度继续升高，超过300℃以后，钢材的屈服强度、极限强度和弹性模量均显著下降；温度达到400℃时钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半；当温度上升到600℃时，强度几乎降低至零。但是一般火灾现场的温度都会达到800℃～1000℃，在这样的高温下，没有防护措施的钢结构耐火极限只有0.25小时左右。著名的纽约世贸大厦主体为钢结构，由于遭恐怖袭击后引发大火，导致大厦在十多分钟内轰然倒塌。据研究报告称世贸双塔倒塌的主因是：在大火闷烧的情况下，内部钢结构梁、柱上的防火物质受到破坏，失去抵抗火灾的防火能力，失去了支撑整个大厦的力量，结果，大楼钢结构梁、柱受到本身重量的压迫变形才会倒塌。３钢结构防火保护措施钢结构的防火保护措施按照其防火行为主要分为主动防火和被动防火。主动防火主要是指采用自动喷水灭火系统扑救室内火灾，并对钢结构进行冷却防火保护，主要为水喷淋法。被动防火不采取灭火行为而采取其他形式提高钢结构的耐火极限，分为截流法与疏导法。截流法又细分为：膨胀型防火涂料、非膨胀型防火涂料、防火板材包覆与屏蔽、柔性卷材包裹覆盖、混凝土或砖包裹覆盖；而输导法分为：水冷却、钢管混凝土。1、水喷淋法水喷淋法是在结构顶部设喷淋系统供水管网及喷头，火灾时，自动启动喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。在建筑的防火区段内安装自动水喷淋系统能够减小火灾发生的可能性。2、截流法截流法是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料使给构件。由于所选材料的导热系数较小，而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。按照保护材料来分，可分为以下几种保护方法。(1)混凝士或砖国内石化工业钢结构厂房以前大多数采用砌砖方法加以防火保护。浇注混凝土防火保护普遍都由其自身结构决定，由于其自重和连接方面的原因，混凝土大多都只对柱进行包覆，形成组合式框架或者钢骨混凝土内筒体系。(2)防火涂料防火涂料喷涂保护分为两种，根据涂层的厚度可以分为厚涂型和薄涂型。防火涂料的一种保护方法是在钢结构表面喷涂非膨胀型防火涂料，此类涂料本身具有良好的隔热性，在火灾下不发生有机化学反应，施工方法一般采用喷涂、抹涂、以及专用喷射机喷射，涂层厚度一般为8～20毫米，耐火极限可达0.5～3.0小时以上，也称厚型防火涂料。厚型防火涂料利用涂层固有的良好绝热性，以及高温下部分成分的蒸发和分解等烧蚀反应而产生的吸热作用来阻隔和消耗火灾热量向基材的传递，从而延缓钢构件达到临界温度的时间。防火涂料的另一种保护方法是在钢结构表面喷涂膨胀型防火涂料，也称薄涂型防火涂料。在高温下，膨胀型防火涂料当中的膨胀阻燃体系发生化学反应，厚度膨胀为原来的十几倍甚至几十倍，生成一种均匀致密隔氧隔热的碳质泡沫保护层的海绵状隔热泡沫层或空心泡沫层，使火焰不能直接作用在基材上，有效阻止火焰在基材上的传播和蔓延，以此来有效地保护钢构件。此类涂料施工厚度一般为2～7毫米，用于钢构件时，耐火极限可以达到O．5～1．5h。施工方法可为喷涂、刷涂或滚涂。薄涂型的每道施工厚度不宜超过2．5毫米，超薄涂型每道施工厚度不宜超过0．25毫米。这种涂料有一定的装饰效果，因此通常用于需要暴露、荷载量要求苛刻以及构件截面或布置于较复杂的钢结构建筑当中。(3)防火板材则是把防火板材固定于钢构件周边，达到隔绝构件与火焰、减缓热量传导至构件的效果，以提高钢结构耐火极限的不燃性板材。目前，国内外钢结构防火板材主要有硬硅酸钙板、膨胀蛭石防火板、石膏板、珍珠岩板，加气混凝土(ALC)板等硬质防火板材以及岩矿棉板软质扳材。钢结构防火板材对钢构件的保护便可分为包覆与屏蔽两种措施。包覆构造措施采用辅助固定件(无机龙骨、轻钢龙骨等)直接固定在钢构件上；屏蔽法则是采用轻钢龙骨以及其他辅助连接件固定于楼板或墙扳上。由于防火板材都是工厂成品，且可对其进行任意割切、剖、刨、钊等施工操作，这种方法具有施工方慢、外观平整光滑、成本低、损耗小、无环境污染、施工周期短、耐老化等优点，是钢结构防火保护的发展方向。(4)柔性卷材耐火卷材一般是矿棉纤维、不织布、金属网片构成的层状耐火卷材。可在结构施工前先对钢构件进行包覆施工，施工时采用专用的熔接机把卷材固定在钢构件上，这种施工方法的优点是无需大型施工设备，无粉尘、轻加工，本身柔软无裂缝，无需水和胶台剂，在寒冷区域仍可施工，并且卷材本身在工厂加工成品，所以材质比较稳定拥有与防火板材相当的理化性能，抗震性好；但缺点是装饰效果不好。卷覆的构造方式优点在于材料可以任意卷曲，构造形式也不受钢构件截面的限制。方便施工，防火效果也比较优越，除可包覆成葙型截面外，还可包覆成8字型，增加卷材与钢构件腹板的连接，在构件高度较大的情况下，可在腹板两侧用高温粘结剂粘结上防火衬块，增强防火效果。柔性卷材可由焊钉直接固定在钢构件或轻质墙板上。3.输导法输导法是通过把传递至钢构件的热量通过液体或固体输导出去而防止钢构件自身的温度骤然上升的一种办法，只适用于钢管柱构件。(1)水冷却法水冷却法事在空心钢柱内充满水，高温时，构件把外界环境中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件的温度可维持在100℃左右。水冷却保护法的用水可由高位水箱或供水管或消防车来补充，水蒸汽由排气口排出。当柱高度过大时，可分为几个循环系统，以防止柱底水压过大。水冷却法既可单柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水的蒸发耗热；后者既能蒸发耗热，又能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区域温度较低的柱。水冷却方法对于钢管柱的结构体系来说是一种非常有效的防火方法。但该方法在实施中必须注意钢结构专门的防锈及防冻设计，而且也增加了结构自重，所以目前实际上已很少使用。(2)钢管混凝土钢管混凝土，即在空心钢管内填充混凝土，从热量传递的角度上来讲，也算是输导法的一种，并且由于组成钢管混凝土的钢管和混凝土之间具有相互贡献、协同互补、共同作用的特点，这种结构具有较好的耐火性能。此外还可以通过改善结构的细部构造来起到提高耐火性能的目的。如，增加构件的约束可以减少挠曲；对易受高温影响的部位进行加强或尽量避免；处理好构件之间的接缝，防止发生穿透性缝隙。总的来说，钢结构的防火方法种类繁多，各种方法可相互结合使用。无论采用哪种防火保护方法，钢结构防火保护材料都应满足以下要求：①安全无毒，施工简便；②易于与钢构件结合；③在预期的耐火极限内可有效保护钢结构；④在钢构件遇火发生变形时，防火保护材料应仍能保持原有的保护作用。但在具体工程中应综合考虑构件的受力形式及各种材料的保护方法在耐火性能、耐久性、材料在火灾作用下的稳定性、施工对环境的要求和施工速度、材料潜在的危害、以及各防火材料的适用性外，还应考虑其经济性、便于维修等方面的因素，才能做出最终决定。４高层钢结构的防腐问题普通钢材的抗腐蚀性能较差尤其是处于湿度较大﹑有侵蚀性介质的环境中会较快地生锈腐蚀，削弱了构件的承载力。钢结构的腐蚀问题正在给世界各国的国民经济带来巨大的损失。目前，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上，而且钢结构由于腐蚀造成的事故而引起的停工﹑停产所造成的间接经济损失可能超过直接经济损失的若干倍。钢结构的防腐措施可以从以下几个角度着手：1、常规措施在钢结构构件表面涂刷非金属涂料如油漆防锈，这是目前各国钢结构防止锈蚀的最常用方法。这种方法效果好﹑价格低廉﹑涂料品种较多﹑选择范围广适应性强﹑不受构件形状和大小的限制。但非金属涂料的耐久性较差应定期进行维护2、长效防腐措施对一些大型或比较重要的钢结构防腐需要做长效防腐处理(15-20年以上)，一般采用热浸镀锌﹑镀铝技术或热喷涂锌或铝涂层技术等。其中，最为合适的还是热喷涂铝或锌(加封闭层)涂层。电弧喷涂技术在五十年代己经在许多国家的钢结构制造与维护领域得到一定的应用，但由于当时电弧喷涂设备技术水平的限制，电弧喷涂被认为是一种高效率﹑低质量的热喷涂方法。直到六七十年代，美国﹑德国等一些工业发达国家对电弧喷涂设备进行了比较大的改造，大大提高了涂层的质量，推动了电弧喷涂技术在钢结构制造的普遍应用。我国直到20世纪90年代末期，电弧喷涂技术才逐渐成为近年发展最为迅速的热喷涂技术之一。3、质量检测对于每一道防腐施工工序，必须提出明确的质量技术规范。例如钢结构预处理时的喷砂等级或手工预处理等级，防腐施工的环境要求，油漆的施工工艺规程，正确选择的油漆涂层或热喷涂涂层的结合性能与厚度现场抽样检测，抽样进行模拟环境下的腐蚀实验，涂层外观检查等等，均需要专人负责。无论施工方，还是工程使用方，对防腐涂层进行严格的质量检测时必须采用较为精密的检测手段和设备。近年来冶金行业采用在冶炼中加入适量的磷﹑铜﹑铬和镍等稀有元素形成耐腐蚀的合金钢，能在表面上形成致密的防锈层，起到隔离覆盖作用。不失为一种积极作法，缺点是价格比较昂贵。５结束语钢结构已经被越来越广泛地应用于国内外高层建筑和大跨结构中，钢结构将是未来结构发展的主要方向。而钢材的耐火性能和锈蚀问题则成为影响高层钢结构安全以及制约钢结构发展的主要因素。虽然钢结构的抗火和耐腐蚀研究一直是建筑安全领域的研究重点，也取得了大量成就，但是我们仍有很多工作去做，很长路要走。