浅谈生活中钢结构建筑的火灾危险性及预防措施

　　摘要:钢材根据日常生活中的需要,越来越多的出现在一些生活、生产的建筑中,带来方便的同时,也为火灾的发生提供了许多新问题,如何预防钢结构建筑在火灾中不产生太多的破坏因素就成为一个新课题.

　　关键词：钢结构 火灾危险性

　　钢材是常用的建筑材料,钢结构是主要的建筑结构之一。最早在建造房屋中使用钢结构的国家可以追溯到十八世纪末的英国，一百年以后，法国工程师埃菲尔建造了著名的铁塔，人们也开始尝试建造钢结构的独户住宅,从此钢结构建筑彻底改变了以往建筑造型的模式,建筑设计的理念与方法也随之而改变。我国虽然早期在铁结构方面已经有卓越的成就，但由于2000多年的封建制度的束缚，科学不发达。因此,长期停留于铁制建筑物的水平。直到19世纪末，我国才开始采用现代化钢结构。新中国成立以后，钢结构的应用有了很大的发展，无论是工业还是民用建筑物、超高层民用建筑物都越来越广泛地采用钢结构。在全国各地已经建造了许多规模巨大而且结构复杂的钢结构厂房、大跨度钢结构民用建筑及铁路桥梁等。我国的人民大会堂钢屋架、北京和上海等地的体育馆的钢网架、陕西秦始皇兵马俑陈列馆的钢拱架等。

　　钢结构建筑的火灾危险性：

　　随着我国经济建设的迅猛发展，企业生产仓储用房日趋大型化，而钢结构建筑具有性能稳定、强度高、加工精度高、装配性能好、自重轻、吊装施工方便、施工周期短等优点。特别是轻型钢结构厂房办公楼具有造型美观、色彩鲜艳、建筑体型多样化、造价低、建筑周期短、机械化程度高、安装施工简便、平面布局灵活易改造的优点，同时钢材具有重量轻、材质均匀、力学计算模型与实际受力比较符合等诸多优点，所以在现代工业厂房中被大量采用。

　　但是，钢材虽然是不燃烧物，它却极易导热、怕火烧，科学实验和火灾案例都表明，未加保护的钢结构在火灾温度的作用下，只需要15min，自身温度就可达到540摄氏度以上，屈服点抗压强度、弹性模量以及载荷能力等都迅速下降;达到600摄氏度时，强度几乎等于零。因此，在纵向压力和横向拉力的作用下，钢结构不可避免地扭曲变形，垮塌毁坏，变形后的钢结构也无法修复使用。

　　由于钢结构建筑本身具有一定的可燃物，而钢结构本身又有受热强度降低极易造成建筑物倒塌等特性，因此钢结构建筑一旦发生火灾，往往造成群死群伤等恶性火灾事故的发生。例如：美国世贸中心大楼是典型的钢结构高层建筑，位于美国纽约市曼哈顿闹市区南部、纽约海港旁，由5幢建筑物组成，其主楼呈双塔形，使用钢材7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，素有“世界之窗”之称。2001年9月11日先后遭受恐怖分子两架民航客机的撞击，仅过了20多分钟，这幢摩天大楼便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世惨案。世贸大厦是美国经济繁荣的象征，如此庞大的建筑物为何如此不堪一击，建筑专家们众说纷纭，但有一条是肯定的，那就是和这幢建筑的全钢结构构造有很大的关系。首先是钢构件遭到剧烈撞击，造成防火保护层松脱，紧接着大量泄漏的航空燃料在建筑内部猛烈燃烧造成楼内温度急剧上升，在高温作用下，无保护层的钢构件很快失去强度和承载力，最终上演了世贸大厦在瞬间化为乌有的人间惨剧。2003年4月5日，青岛市即墨正大食品有限公司厂房发生火灾，在高温作用下，钢结构屋架约经过30分钟便轰然倒塌，导致20多名员工因未能及时疏散而被埋压在厂房内活活烧死。1995年1月20日郑州天然商厦火灾，1998年北京玉泉营环岛家具城火灾等，建筑物钢结构均在20min被烈火吞噬，弯曲变形，甚至坍塌毁坏，变成了麻花状态废物。1973年5月天津市体育场馆火灾，1993年5月上海某纺织厂(钢屋架)发生火灾，不到半小时，部分钢屋架就开始倒塌。这些火灾案例都暴露了钢结构耐火性能差的致命弱点。

　　笔者结合对在日常的工作中接触到的厂房等以钢结构作建筑主要构件的建筑工程审核中和消防监督检查中的体会，对钢结构建筑的防火措施谈一些浅显的看法。

　　众所周知，钢材具有较好的耐热性，其本身并不燃烧。基于这一事实，许多人认为钢材根本不会着火，所以对于钢结构就根本没有必要采取什么防火措施。其实不然，本文前面已经探讨了钢结构建筑的火灾危险性，因此必须消除“钢结构没有必要采取防火措施”的错误认识，切实重视钢结构防火工作。

　　在《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)、《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-95 2005年版)中，对建筑物的耐火等级及相应构件的耐火极限作出了具体的规定。

　　无保护层的钢柱、钢梁、钢屋架等钢结构构件的耐火极限为0.25小时即15分钟，也就是说在火灾作用下，15分钟后钢结构随时有可能失去承载力而发生倒塌。

　　要使钢结构构件在实际中克服防火方面的不足，必须进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，防止钢结构在火灾中迅速升温发生变形塌落。其措施是多种多样的，都是对钢结构进行保护，使其在火灾时温度升高不超过临界温度，钢结构在火灾中应能保持稳定性。对钢结构采取的保护措施，从原理上来讲，主要可划分为两种，即截流法和疏导法。

　　一、截流法

　　截流法分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。

　　1.喷涂法

　　喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。钢结构防火涂料按所使用的胶粘剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类，按涂层厚度分为薄涂型和厚涂型两类，薄涂型钢结构涂料涂层厚度一般为2～7mm，有一定装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0.5～1.5小时，这种涂料又称纲结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料厚度一般为8～20mm，粒状表面，密度较小，导热系数低，耐火极限可达0.5～3.0小时，这种涂料又称钢结构防火隔热涂料。

　　钢结构防火涂料的防火原理有三个：一是涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢结构不至于直接暴露在火焰高温中。二是涂层吸热后部分物质分解放出的水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。三是涂层本身多孔轻质和受热后形成碳化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低，从而提高了钢结构的耐火极限。

　　薄涂型钢结构防火涂料的主要品种有：LB、SG—1、SB—2、SS—1钢结构膨胀防火涂料。厚涂型钢结构防火涂料主要品种有：LG钢结构防火隔热涂料、STI—A、JG276、ST—86、SB—1、SG—2钢结构防火涂料等。

　　在喷涂钢结构防火涂料时，喷涂的厚度必须达到设计值，节点部位宜适当加厚，当遇有下列情况之一时，涂层内应设置与钢结构相连的钢丝网，以确保涂层牢固。

　　——承受冲去振动的梁

　　——设计层厚度大于40mm寸

　　——粘贴强度小于0.05MPa的涂料

　　——腹板高度大于1.5m的梁

　　喷涂法适用范围最为广泛，可用于任何一种钢构件的耐火保护。

　　2.包封法

　　包封法就是在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：

　　2.1 用现浇混凝土作耐火保护层。所使用的材料有混凝土、轻质混凝土及加气混凝土等。这些材料既有不燃性，又有较大的热容量，用作耐火保护层能使构件的升温减缓。由于混凝土的表层在火灾高温下易于剥落，可在钢材表面加敷钢丝网，进一步提高其耐火的性能。

　　2.2 用砂浆或灰胶泥作耐火保护层。所使用的材料一般有砂浆、轻质岩浆、珍珠岩砂浆或灰胶泥、蛭石砂浆或石灰胶泥等。上术材料均有良好的耐火性能，其施工方法常为金属网上涂抹上述材料。

　　2.3用矿物纤维。其材料有石棉、岩棉及矿渣棉等。具体施工方法是将矿物纤维与水泥混合，再用特殊喷枪与水的喷雾同时向底子喷涂，构成海绵状的覆盖层，然后抹平或任其呈凹凸状。上述方式可直接喷在钢构件上，也可以向其上的金属网喷涂，且以后者效果较好。

　　2.4用轻质预制板作耐火保护层。所用材料有轻质混凝土板、泡沫混凝土板、硅酸钙成型板及石棉成型板等等，其做法是以上述预制板包覆构件，板间连接可采用钉合及粘合。这种构造方式施工简便而工期较短，并有利工业化。同时，承重(钢结构)与防火(预制板)的功能划分明确，火灾后修复简便且不影响主体结构的功能，因而具有良好的复原性。

　　3.屏蔽法

　　屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。

　　4. 水喷淋法

　　水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。

　　由上述可知，这些方法的共同特点是设法减小传到构件的热流量，因而称之为截流法。

　　二、疏导法

　　与截流法不同，疏导法允许热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。

　　疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法。该方法是在空心封闭截面中(主要是柱)充满水，火灾时构件把从火场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，构件温度便可保持在100℃左右。从理论上讲，这是钢结构保护最有效的方法。该系统工作时，构件相当于盛满水被加热的容器，象烧水锅一样工作。只要补充水源，维持足够水位，而水的比热和气化热又较大，构件吸收的热量将源源不断地被耗掉或导走。

　　冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车来补充。蒸气由排气口排出。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，为防止锈蚀或水的冰结，水中应掺加阻锈剂和防冻剂。

　　水冷却法既可单根柱自成系统，又可多根柱联通。前者仅依靠水的蒸发耗热，后者既能蒸发散热，还能借水的温差形成循环，把热量导向非火灾区温度较低的柱。水冷却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。但因为为了防止钢结构生锈，须在水中放入专门的防锈外加剂，冬天还须加入防冻剂，而且对于结构设计有专门的要求，所以目前实际上已很少使用。

　　目前，国内外使用最多的就是钢结构防火涂料喷涂保护技术，它具有防火性能好、施工方便、不受钢构件几何形体限制的优点，一般不需要加辅助设施。另外这种方法涂层质轻，还可起美观装饰作用。随着社会的不断发展和进步，钢结构以其独特的性能在建筑工程中得到广泛应用，给我们带来了诸多便利。但是由于它的固有缺点，在应用中要根据钢结构的使用场合、耐火极限和成本等因素，采取合理有效的保护措施，保证其能够达到设计要求，充分发挥防火保护作用，避免不必要的损失和人员伤亡

　　参考文献：《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)、《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-95 2005年版)