钢结构建筑的消防工程设计

ＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦ０ＲＭＡＴ１０Ｎ　工程技术　钢结构建筑的消防工程设计①　夏侯凯全　（梅州市公安消防支队大埔大队　广东梅州　５１　４２００）　摘要：简述了钢结构具有的特点，浅谈了钢结构防火保护的重要意义，通过对钢构件在火灾条件下的破坏机理和钢结构防火原理的介绍。　探讨钢结构几种防火的设计方法。参考Ｉｉｌ内外资料，并提出了今后工作中需大量研究的问题，为钢结构设计的完整性提供了参考。　关键词：钢结构建筑　防火保护措施　防火涂料　钢结构消防设计　中图分类号：ＴＵ７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－３７９Ｉ（２ｏ１０）０５（ｃ）一００６４—０２　随着我国经济建设的快速发展，钢结　构建筑因其结构美观、施工快捷、抗震性及　稳定性好等优点已经越来越多地广泛用于　ｌ所示为根据试验结果得出的结构钢强度　与温度的关系。该图表明，与根据以前的试　验研究（该研究由《建筑钢结构防火设计规　２钢结构防火的意义　（１）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免　钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员　工、商业领域，尤其是在高层建筑中。为了　程））ＤＧ／ＴＪ　０８－２０００８－２０００承担）得出的结　疏散的困难；尽可能延长钢结构到达临界　满足国家建筑条例有关消防安全的功能要　果相比，结构钢的性能有一定的提高。该项　温度的过程，以争取时间灭火救人。　求，通常的做法是利用专卖防火材料覆盖　试验研究没有考虑到应变硬化的影响，而　（２）避免钢结构在火灾中整体倒塌，造　钢构件，以确保建筑在规定的期间保持稳　应变硬化则是试验的早期阶段出现平稳段　成人员伤亡。　定。近年来，性能型消防工程替代方法得到　的原因。应该记住，热轧钢的强度降低系数　（３）减少火灾后钢结构的修复费用，缩　了很大的发展，它可为设计者实现功能要　不仅取决于材料，而且还取决于试验方法、　短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济　求提供较多的选择余地　本文旨在介绍这　加热速率以及为确定钢强度所使用的应变　损失。　些选择以及各种方法的优缺点。此外，本文　极限。试验数据之间的差距是非常大的。　还对这些发展所依据的某些基础研究给予　《钢结构设计规范》（ＧＢ　５００１７－２００３）数据表　３防护材料　一定的论述。　明，在５５０％温度时，结构钢将保留其室温　被动消防措施能以传统建筑材料的形　强度的６０％，而从同样温度的《承重钢框架　式实现，例如混凝土或砖砌体。在上世纪时　１材料的行为　欧洲公约》（ＥＣＣＳ）关系得出的相应数字则　期，混凝土一直是承重钢框架最常见的防　钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它　更接近４０％。就加热速率和在挠度极限（由　火形式。然而，这种防火形式成本高，而且　具有抗震、抗弯等特性。钢结构与其它几种　标准耐火试验规定）下产生的应变而言，只　又有在火灾中的爆裂问题，因此，人们一直　建筑结构相比，具有强度高、重量轻、塑性　有对大规模梁、柱试验的相关性进行改善　在研发其替代方法。通常，人们用喷涂或防　和韧性好、施工进度快等特点，它适用于各　之后，才能证明使用我国钢材数据是合理　火板方式或这二者的结合为被保护目标提　种工程结构。在实际应用中，钢材既可以相　的。这种简化的表达本身并没有考虑到这　供隔热。在特定的环境中，膨胀涂料可能比　对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建　样一个事实，即在较低的温度范围内，数值　传统的方法更受人们的青睐。膨胀性涂料　筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土　是不一致的。对温度取决于材料的性质细　在各国得到越来越广泛的应用。在看不见　等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此　节感兴趣的主要是搞材料和结构性能数值　钢结构的地方（例如楼层底面被吊顶掩盖），　钢材受到了建筑行业的青睐，单层、多层、　模拟的人员。现在已经弄清的是，强度和刚　喷涂非常流行。在防护措施暴露在外的地　摩天大楼，厂房、库房、候车室、候机厅等采　度都会随温度的升高而降低，这种降低在　方，防火板较受人们的欢迎。在现代钢框架　用钢材都很普遍。但是，钢会随着温度的升　４００℃～７００℃之间尤为显著。由于人们感觉　办公楼中，最常见的防护形式是对梁进行　高而丧失其强度和刚度，钢材作为建筑材　到在上述火灾中钢构件的性能会下降，因　喷涂，对柱用防火板进行保护。有关常见防　料在防火方面存在一些难以避免的缺陷，　此，最常见的防火“设计”方法是，先根据环　火材料的信息资源是专家消防协会和钢结　其导热速度快，机械性能，如屈服点、抗拉　境温度荷载条件设计钢结构，然后再用专　构研究所发表的黄皮书。该资料可提供特　及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下　卖防火材料为钢构件提供保护，以确保温　定耐火期所需防护厚度的相关信息。表ｌ为　降，如钢筋混凝土结构在高温高热的情况　度不会超过特定的数值，或者，根据上述的　实用防火材料的优缺点。　下，也会因为结构内的钢筋受热抗拉能力　讨论，取环境温度荷载能力的一个规定的　减弱，当达到钢筋的屈服点时结构丧失承　百分比。曾有人撰文论述过这个问题，预见　４部分保护的钢构件和无保护的钢构件　载能力而使建筑倒塌。钢结构在负载的情　到一个更为合理的方法，根据该方法，一旦　为了使设计人在建筑中使用无保护或　况下，失去静态平衡稳定性的临界温度在　选定了主要结构件之后，即可在设计的初　部分保护的钢构件，人们研发出许多新的　５４０℃左右，也就会失去承载能力，发生很　始阶段考虑防火问题，而不是在耗费大量　设计方案。这类例子也包括柱子在内，例　大的形变，导致钢柱、钢梁弯曲，一般不加　费用之后再亡羊补牢。但这种理念符合欧　如，可以用混凝土块或钢筋混凝土、加厚屋　保护的钢结构的耐火极限为１　５ｍｉｎ左右。图　美国家制定的新型设计文件。　面板系统（例如不对称细长的楼板梁（ＡＳＢ））　曩度Ｉ＇Ｃ　时旧，ｍｉｎ　图１　结构钢的温度与强度的关系　图２标准（ＩＳ０８３４。ＢＳ４７６）火灾曲线　①作者简介：夏侯凯全（１９８３一），男，江西新余人，本科，梅州市消防支队大埔大队助理工程师，主要从事建筑防火以及消防监督工作，　梅州市大埔县公安消防大队，５１４２００。　６４　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　工程技术　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　．　匝圆　以及支架角钢梁来强加梁腹。在某些受限　联的简化边界条件和理性化的荷载水平对　寸试验来处理。　制的情况下（例如有围栏的露天停车场），可　环境温度或许可以适用，但在高温下则没　以使用任何钢截面，而且无需任何形式的　有关联性，因为热运动可能会引起非常大　６性能型选择　防火保护。在耐火要求较低和限蔓延措施　的约束力。此外，加热炉试验还增加了复杂　近年来，我国性能型条例和规范有很　（ｆｉｎｅｌｉｍｉｔ）状态下的作用荷载（ｉｍｐｏｓｅｄ　ｌｏａｄ）　因素，这进一步限制了试验结果的适用范　大的发展，大大促进了建筑消防工程设计　也较低的地方，可以利用消防工程设计方　围。这种试验的失效标准基于人们通常为　之合理方法的问世。这种方法通过风险型　法来证明使用无保护钢构件的合理性。　防止加热炉受损而任意选择的数据。标准　消防设计方法考虑到了所有的相关因素　时间／温度响应与实际火灾几乎没有关联　同时采用结构规范可为设计者提供一系列　５标准燃烧试验　性，而且不包括不同通风条件的效果或分　的选择，其范围从对标准试验数据的简依　图２所示为标准火灾曲线。虽然大多数　隔间内层材料热特性的影响。实际分隔间　赖到对根据先进数值方法导出的结构性能　防火“设计”都基于对标准加热炉试验所得　内的温度有一个均匀程度问题，这一点没　的全面考虑。图３所示为消防设计的步骤　结果的依赖，但人们越来越清楚地认识到，　有被论述，火焰直接冲击会造成一定的影　这种试验并非恰如其分地反映出实际建筑　响，这一点也没有被考虑。显然，复杂热环　７新的设计方法　遭蹙实际火灾时的性能。与标准试验相关　境中的复杂三维行为只能利用真实的足尺　继一项大规模足尺寸火灾试验计划之　后，我国钢铁业研究出一种新的设计方法，　其依据是在实际火灾中所观察到的行为，　该方法考虑到在受拉膜作用中发挥功效的　复合楼板在限蔓延措施状态下所增加的承　载能力。此外，该方法还考虑到无保护钢粱　的广泛应用，但这要以钢铁业制订的设计　指南中规定的极限为条件。　８背景研究　上述的设计方法是在一系列足尺寸试　验之后研究出来的，该系列足尺寸试验在　大规模试验基地上进行了多年。现已证明，　根据试验结果，该方法行之有效。它可在预　测挠度与实测挠度之间提供很好的相关　性。表２为该试验计划的总结。　该试验计划以及在实际火灾中的观察　结果表明，复合钢框架建筑的性能比根据　单个构件性能（利用标准试验程序评估出　＼　／　的）预测的要好得多。性能的增强在某种程　确定温度曲线图　方法是借助计算　度上应归因于梁、柱连接件的刚度，它对结　构的总体行为有很大贡献，尤其是在位移　（４．２．５．Ｌ（１），４．２．５。２（１）），　相对较小的地方。复合楼板的受拉膜作用　利用试验数据或采用先进方法　在楼板发生较大位移处对维持结构的强度　和稳定性起着重要的作用。在世贸中心遭　到恐怖袭击，尤其是在世贸中心坍塌之后，　人们才重新重视整个结构在火灾中的性　能。许多问题（例如：高层建筑的坚固性、超　静定性、被动消防设施的抗爆炸能力以及　连接件的性能）都需要进一步的研究。　９结语　表１　实用被动防火措施的优缺点　现在，技术人员可以得到多种选择，以　确保钢框架结构具有良好的防火性能。从　优点　缺点　经过试验的指令型方法到先进的计算方法　需要投入的设计力量较少　方法较为保守，材料的使用缺乏效率　都在人们的选择之中。目前，对被动消防材　在实际火宅中的性能较为适度　维修通常途径建筑物的关键路段　料的类型和性能的研究与对整个结构在实　方法易于为设计者和管理者理解　与实际火灾中的实际行为没有关联　际火灾中的性能的研究正在齐头并进。最　非现场嘭胀涂料可加快施工的速度　易受撞击损伤　近的事件促使人们重新关注整个建筑物在　火灾中的性能。　可能因维修而受损坏　表２　钢框架建筑物的耐火试验　试验　钢的最高温度（℃）　达到最高温度的时间（ｍｍ）　最大竖向挠度（ｎｌｎ１）　残余挠度（ａｒｍ）　约束梁　９Ｏ０　１　７０　２３２　ｌｌ３　平面衍架　８ｏｏ　ｌ２５　４４５　２６５　墙角隔间１　９０３　ｌ１４　２６９　１６０　墙角隔间ｌ　ｌ０２０　７５　４２５　３２５　大型隔间　６９１　７０　５５７　４ｇｌ　验证　ｌ０６０　４０　６４ｌ　￣４４　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　６５