钢结构工业厂房的建筑防火设计探究

关键词：钢结构；工业厂房；防火设计 

　　钢结构的耐火性能很差，但是钢材本身并不燃烧，只是火灾高温下，钢材的强度和刚度都明显下降，以致难以承受荷载，并最终导致整个结构的垮塌。在 200℃以内，钢材性能没有很大变化；在430-540℃之间强度急剧下降；600℃时强度很低不能承担荷载。正是由于钢材的这种物理性能，火灾情况下，当温度达到 450-650℃时，钢结构就会失去承载能力，发生较大变形，导致钢柱、钢梁弯曲，最终因变形过大而不能继续工作，甚至垮塌。本文就钢结构工业厂房的防火措施就行了具体阐述。 

　　1 钢结构工业厂房的防火措施 

　　（一）膨胀漆覆盖法 

　　将膨胀漆用喷涂、刷或者抹的方式在处理过的构件的表面形成保护膜，最高可达到2小时的耐火时间。膨胀漆防火材料的覆盖层在遇高温时能自然的膨胀成泡沫状，从而形成一层厚度可达原防火层厚度数十倍的隔热层，从而降低钢构件的升温速率。但这种方法不适用于潮湿环境，而仅适于在干燥的室内环境。 

　　（二）水泥砖填充法 

　　对于H型钢柱，在其翼缘以及腹板间空隙处填入水泥砖来降低构件的表面曝火面积，并使截面上产生不同的温度区域，进而达到降低构件受热的速率及提高抗火性的目的。采用这种方法可达到3O分钟左右的耐火时间，若需更高抗火时效，就须对暴露的钢构件的表面进行其它防火处理。 

　　（三）外包层法 

　　外包层法是目前应用最多的钢结构防火保护措施。按照构造形式的不同，可以分为以下3种：紧贴包裹法、空心包裹法和实心包裹法。 

　　3.1 紧贴包裹法 采用防火涂料涂覆于钢材表面，形成耐火隔热保护层，提高钢结构的耐火极限。钢结构防火方法的选择以构件的耐火极限要求为依据。紧贴包裹法适用于耐火极限要求为0.5-4h 的钢结构建筑。钢结构防火涂料按其涂层厚度及性能特点可分为薄涂型和厚涂型2 类。薄涂型钢结构防火涂料涂层薄、重量轻、抗振性好、有较好的装饰性。室内裸露钢结构、轻型屋盖钢结构及有装饰要求的钢结构，当规定其耐火极限在1.5h及以下时，宜选用薄涂型钢结构防火涂料；厚涂型钢结构防火涂料一般不燃、无毒、耐老化、耐久性较可靠。室内隐蔽钢结构、高层全钢结构及多层厂房钢结构，当规定其耐火极限在 1.5h以上时，应选用厚涂型钢结构防火涂料。紧贴包裹法是一种常用的钢结构防火方法，在很多工程中都有应用。如广州国际会议展览中心、国家图书馆工程钢结构都采用了紧贴包裹法。 

　　3.2空心包裹法 一般采用防火板，沿钢构件的外围边界，将钢构件包裹起来。 

　　钢结构防火用板材分薄板和厚板两类。防火薄板使用厚度大多在 6-15mm 之间，主要用作轻钢龙骨隔墙、吊顶和钢梁、钢柱的罩面板；防火厚板使用厚度在 20-50mm之间，可直接用于钢结构防火。空心包裹法适用于耐火极限要求为1.5-4h的钢结构建筑。山东莱钢建设有限公司开发的即墨德馨园小高层工程，工程主体为钢框架-剪力墙结构体系，梁为热轧H型钢梁，采用20mm 厚的GF防火板（耐火极限 2h），支撑柱为焊接螺旋钢管，采用25mm厚的 GF防火板（耐火极限3h），满足了主体结构设计耐火等级为二级的防火设计要求。 

　　3.3实心包裹法 一般通过浇筑混凝土或砌筑耐火砖，将钢构件包裹起来，完全封闭钢构件。其优点是强度高、耐冲击，但缺点是混凝土保护层占用的空间大、施工比较麻烦，特别是在钢梁和斜撑上施工十分困难。表面有装饰要求的钢结构，亦可采用粘贴柔性毡状隔热材料或涂敷厚涂型防火涂料、外用防火薄板作罩面板的复合保护法。实心包裹法适用于耐火极限要求为1.5-3h的钢结构建筑。美国纽约大厦和上海世界金融大厦都有采用实心包裹法。 

　　（四）喷涂法 

　　这种方法用专门的设备把一定厚度的防火涂料喷涂在钢结构构件的表面，从而来进行防火隔热保护，防止其在火灾中迅速的升温造成挠曲变形塌落。其防火处理有：（1）涂层起屏蔽的作用，隔离火焰，使得钢构件不会直接暴露在火焰及高温中；（2）涂层吸热后的部分物质分解，放出水蒸汽或者其他的不燃的气体，从而降低火焰温度以及燃烧的速度：（3）涂层多孔轻质或者受热膨胀形成炭化的泡沫层，热导率低，防止热量向钢基材迅速的传递，增加钢基材从受热温度升高到极限温度的时间，提高了其耐火极限。这种方法造价较低、拖工迅速、复杂的结构也较易覆盖，抗火时间最高可达数小时。但喷涂的表面不平整，较影响美观，常用于较隐蔽的钢构件。 

　　（五）屏蔽法 

　　屏蔽法是在钢构件的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开，这样，即使建筑内部发生火灾，火焰也烧不到钢构件。屏蔽法主要适用于钢结构屋盖系统的保护。常见的屏蔽法包括在钢梁下面吊装防火平顶和在钢柱外侧一定范围内设置防火板等方法。屏蔽法作为一种在钢结构特殊部位设置的防火屏障措施，对钢构件而言，不失为一种较经济的防火方法，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。但目前许多轻钢结构厂房、大跨度建筑，其钢结构材料直接裸露在室内，并不适宜采用此种防火措施。 

　　（六）水冷却法 

　　水冷却法包括水淋冷却法和充水冷却法。水淋冷却法是在钢结构上部布置自动喷淋系统，发生火灾时，启动喷淋系统，在钢结构表面形成一层连续的水膜，达到保护作用。此方法已广泛应用于绝大多数的高层建筑中，如同济大学土木新楼钢结构建筑即采用水淋冷却法。充水冷却法是在空心钢构件内充水，通过水在钢结构内的循环，吸收钢材本身受热的热量，从而使钢结构在火灾中能保持较低的温度，不会因升温过高而丧失承载能力。 

　　从理论上讲，这是钢结构防火保护最有效的方法。但是由于技术难度较大，加之增加了建筑物的自重，为了防锈和防止水的冰结，还需要在水中掺加阻锈剂和抗冻剂等，费用较高，国外也只有少数应用实例，如美国匹兹堡64层美国钢铁公司大厦即采用充水冷却法 

　　2.提高钢结构耐火性能的措施 

　　提高钢结构的耐火性能可以从材料、构件、结构 3 个层次考虑，另外有效的防火保护措施也是提高钢结构耐火性能的一个重要途径。 

　　2.1 提高钢材耐火性能 

　　钢结构的耐火性能取决于钢材，因此提高钢材的耐火性能是提高钢结构抗火性能的根本之道。应用建筑耐火、耐候钢：通过在钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb 等，使得钢材在 600℃ 时的屈服强度不小于常温屈服强度的 2/3，且其他性能与相应规格的普通结构钢基本一致。此外由于它的耐火性能好，可以在施工时适当减小保护层的厚度，甚至可以不涂防锈漆，这样可以节省一定成本。 

　　2.2 采用防火能力强的构件 

　　采用钢混组合构件，如钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等可以有效提高耐火极限，且钢管直径越大，耐火时间越长。还可以利用非燃烧体的围护或分离构件，如非燃墙体为钢构件提供防火保护，而不需另做防火保护层。对于裸露在外的钢构件，则应采取合理的防火保护构造。 

　　2.3采用有利于防火的结构形式 

　　采用钢混组合结构，如钢板混凝土组合剪力墙结构，或者在关键部位比如楼板和楼梯这种对防火要求较高的部位采用钢筋混凝土结构。钢结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工并利于装修。 

　　结束语 

　　随着钢结构技术的不断发展，钢结构的应用会越来越广泛，钢结构工厂的规模会越来越大，其防火设计愈加重要。在运用中要根据钢结构的使用场合、耐火极限要求和成本等因素，采取合理有效的保护措施，保证其能够达到既安全又经济合理的设计要求。 

　　参考文献： 

　　[1]赵风华，黄金林钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社 .2005：337. 

　　[2]王学谦.建筑防火[M].中国建筑工业出版社.2000.1.