浅谈钢结构建筑防火设计以及钢结构的优缺点探讨分析。

【摘 要】钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷。但是钢材作为建筑材料，在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。本文简述了钢结构具有的特点，参考国内外资料，论述了钢结构抗火设计及防火保护的基本方法。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
【关键字】钢结构；防火设计
1　钢结构与传统的钢筋混凝土结构的特点
钢结构与传统的钢筋混凝土结构相比具有以下特点：
（1）钢材材质均匀，可认为为理想的弹性材料，受力状态简单明了。
（2）钢材的塑性和韧性好，有利用提高结构的抗震性能。
（3）钢结构强度高，自重轻，降低结构的自振周期，减小结构设计内力，降低基础造价。
（4）钢结构制作周期短、施工速度快等。
钢结构的优点很多，但却有一个致命的缺陷，耐火性能差。首先我们来分析一下钢结构建筑的火灾特点。钢结构建筑的梁、柱、屋架是建筑的骨架，它的安全性直接关系到整幢建筑的安全，它们大都采用钢材，钢材虽然是不燃烧材料，但在火灾的高温作用下，其力学性能会发生很大的改变，屈服强度、弹性模量等随温度升高而大幅度下降。钢结构在温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降1／3、1／2、2／3，在高温条件下其内部应力也会发生改变，使钢结构承重体系出现问题，按理论计算，在全负荷下，钢结构失去平衡稳定性的临界温度为500℃，一般火场温度都在800℃－1000℃左右，在这样的高温条件下，无任何保护的钢结构很快就会出现塑性变形，大约15分钟内就会倒塌。2002年9月11日，美国纽约的世界贸易大厦在恐怖袭击中倒塌，导致300多名消防队员无辜丧生。飞机满载燃油撞击大楼后，造成大楼承重的钢结构筒体的保护层被破坏，在强烈的高温作用下，钢结构筒体承载强度迅速下降。事实上，世贸大楼不是撞塌的，而是烧塌的。因为高温导致钢结构变形，承受不了上面的重量，短短20分钟后这个世界上最著名建筑就消失在我们面前。2003年青岛的正大食品厂钢结构厂房发生特大火灾，造成厂房大面积倒塌，很多工人葬生火海。这些众多的火灾案例都暴露出了钢结构建筑存在的一个致命弱点就是耐火性极差，这就给我们广大建筑设计人员提出了一个新的课题，怎样才能做好钢结构建筑的防火设计，使钢结构建筑更好地服务于我们的经济建设。
2　如何才能做好钢结构建筑的防火设计
（1）根据建筑物的火灾危险性和重要性，合理确定建筑的耐火等级和防火设计方法耐火等级的选定各种建筑由于其使用性质、重要程度、规模大小的不同，火灾危险性存在差异，我们设计时要根据建筑物的使用功能，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑的耐火等级。比如一个60米高的综合楼，根据《高规》其属于一类高层建筑，它的耐火等级应为一级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限应分别不低于2小时、3小时、1.5小时，如果我们在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成我们设计失误，过高造成浪费，过低则造成不安全。
（2）抗火的设计方法　钢结构抗火设计的实质是：选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性，满足承载能力的规定。　基于试验的构件抗火设计是一种简单、直观的方法。即规范要求某一类型建筑物具有一定的耐火时间，然后对结构的主要构件进行正常设计荷载下的标准试验，测定其抗火时间。设计目标为：结构（构件）的抗火时间不小于规范规定的耐火时间。我国《现行建筑设计防火规范》（gbj50016—2006）中关于钢梁和钢柱的防火措施的要求正是基于此法。该试验方法存在很多缺陷。首先，耐火时间、耐火等级不易确定。由于目前大多建筑物功能复杂，体量大。同一建筑物的各个组成部分功能相差非常大。其次，构件在结构中受力很难模拟，而受力的大小对构件耐火时间的影响很大。最后，构件受火在结构中产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。可见早期的抗火设计方法有时失之经济，有时又失之安全。鉴于试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从20世纪70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究。
基于计算的现代方法即用计算的方法代替标准试验的方法，可以免除传统方法中所存在的问题，是钢结构抗火设计发展的方向。目前计算方法有几种：直接按耐火等级选择构件的耐火极限ｔ，求出构件临界温度后ts，用ｔ、ts为控制条件求保护层厚度的ts-ｔ耐火设计方法；用构件的临界温度ts和当量升温时间te来确定防火保护层厚度的ts-te耐火设计方法。　设计时要选用恰当的钢结构耐火保护方法。目前世界各国对钢结构采用多种方法进行保护。从原理上说分为两种：截留法和疏导法。
1）截留法又分为：喷涂法、包封法、水喷淋法、屏蔽法。它们都是通过一定的技术手段来提高钢结构的耐火极限。具体而言，喷涂法就是将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成保护层，从而提高建筑构件的耐火极限，它有厚型和薄型之分，不同厚度的涂层其耐火极限不同；包封法是用耐火材料把构件包裹起来。包封材料有防火板材，砖或混凝土，钢丝网抹耐火砂浆等。耐火材料将钢结构包裹，从而形成保护层，提高构件耐火极限；水喷淋法是在钢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，达到保护作用；屏蔽法是把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，主要适用于屋盖系统的保护。
2）疏导法：与截留法不同，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，同样可是构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。目前疏导法仅有充水冷却保护这一种方法。我们在设计时，要根据不同建筑对构件耐火极限的要求，通过科学比较，选出最恰当的防火保护方法，达到经济和安全要求。
3　钢结构建筑设计时要充分考虑人员疏散问题
由于钢结构建筑自身存在的弱点，我们在设计时要充分考虑人员疏散的因素，将人员密度指标和钢结构建筑的特点综合起来考虑，加强对安全疏散路线、疏散距离、疏散宽度的设计要求，证人员疏散时间小于建筑构件的耐火极限，确保火灾时人员能安全逃生，避免群死群伤火灾事故的发生。　钢结构防火设计是建筑设计中的重要组成部分，在建筑设计时做好此项工作，可以从根本上防止和减少建筑物发生火灾，且在一旦发生火灾时把火灾损失降低到最低限度。否则，就会给建筑物留下火灾隐患，一旦着火条件成熟，就会酿成火灾，造成人员伤亡和经济损失。