不加防火保护的钢构件和钢管混凝土柱都不能满足能抗住火焰的极限的要求。为了更好的提高这些构件的防火性能,确保结构的安全,应采取防火保护的方法,使各种构件达到规定的耐火极限。

  构件防火保护的方法很多,采用最多的是用一些保护材料把构件包裹起来,在火灾时的火温作用下,延缓构件的升温时间。下面介绍几种常用的防火保护措施。

  如图6_36所示,采用低标号混凝土或水泥砂浆把构件包裹起来以防火。为增强粘结力,在钢管混凝土外皮应包一层铁丝网。

  钢管混凝土柱采用混凝土包覆时,需要的包覆厚度可用上节介绍的方法计算。很多材料的导热系数、密度和比热容列入表6_8中。

  采用混凝土或水泥砂浆包裹构件的防火方法,其优点是造价低,作用过程中如有损坏时易于修补。但普通混凝土的自重大,增加结构自重,将提高基础造价。同时包裹厚度较大,将减少室内的有效使用空间。因此,宜采用加气混凝土或轻骨料混凝土。防火涂料保护法20世纪80年代初期,在北京、上海和深圳等地兴建的一批钢结构高层建筑,都曾采用国外的防火涂料。1985年后,国内加强了防火涂料的研制工作,已研制成功多种防火涂料,取代了进口涂料。

  防火涂料的品种较多,根据在高温下涂层的变动情况分膨胀型和非膨胀型两大类,但它们都属于轻型类。

  膨胀型防火涂料,又称薄涂型防火涂料,厚度一般为2～7mm。基本材料为有机树脂,还含有发泡剂、碳化剂等,遇火后自身发泡膨胀,形成比原厚度大几十倍的多孔碳质层,可阻挡外部热对内包构件的传热。构件的能抗住火焰的极限可达015～115h。膨胀型防火涂料涂层薄,重量轻,抗振动性好,装饰性较好。缺点是施工时气味较大,涂层易老化,吸入水分而受潮后会失去膨胀性。英国Nullifire公司生产的超薄型膨胀涂料用于广东大亚湾核电厂的厂房屋架已十几年,尚完好无损。

  国产LB型膨胀型防火涂料,最早用于北京亚运会各体育馆的钢屋架上。全国现已有几十家生产这种涂料的工厂,在厂房和体育馆等的钢结构中得到普遍的应用。

  非膨胀型防火涂料,主要成分是无机绝热材料,遇火不膨胀,自身拥有非常良好的隔热性。涂层厚度7～50mm,能抗住火焰的极限可达015～3h以上。又称厚涂型防火涂料。分为两类:一类以矿物纤维为骨料,采用干法喷涂施工;另一类以膨胀蛭石、膨胀珍珠岩等颗粒材料为主的骨料,采用湿法喷涂施工。前者涂层的容重小,但施工时易散发粉尘,对环境和工人健康有害,且涂层表面疏松,故宜用于将予以封闭的工程中。上述两类厚涂型防火涂料的性能比较见表6_9。

  国内大量推广应用的是厚涂型防火涂料,用湿法喷涂。目前这类涂料有两种:一种以珍珠岩为骨料,水玻璃为粘结剂,属双组分包装涂料,采用喷涂法施工。另一类以膨胀蛭石及珍珠岩为骨料,水泥为粘结剂的单组分包装涂料,只需加水拌匀就可以使用,能喷也能抹。手工涂抹时,表面十分光滑平整。防火涂料应能与底层防锈漆协调,彼此相容,干燥后不应有刺激性气味。燃烧时不产生浓烟和对身体有害的气体。用于室外结构的防火涂料尚应具有优良的抗冻融性。选用防火涂料的原则如下:

  (1)结构及截面小、振动挠曲变化大的结构,当要求能抗住火焰的极限在1１5h以内时,宜选用薄涂型防火涂料;装饰要求比较高的宜首选超薄型防火涂料。

  (2)室内隐蔽结构及高层永久性建筑,要求能抗住火焰的极限在1１5h以上时,应选用厚涂型防火涂料。

  防火涂料施工时,对钢构件要求做除锈防锈处理。涂层干燥固化前,除水泥系列的涂料外,环境和温度宜保持在5～38℃,环境相对湿度不宜大于90%,空气应流通。

  薄涂型防火涂料每次喷涂厚度不应超过215mm,超薄型涂料每次涂层不应超过015mm,厚涂型涂料每遍喷抹厚度宜为5～10mm,都必须在前一遍涂层干燥或固化后,才可以进行后一道施工。防火涂料搅拌好后应及时用完,超过规定有效期的不得使用。

  厚涂料施工时一般不必加固。但在易受振动和撞击部位,应设加固焊钉或包扎镀锌铁丝网等,以保证涂层能长期使用。

  防火板材是用不燃材料做成,种类很多,表6_10列出了几种防火板的主要技术性能。其中TK板、FC板是用短纤维增强的水泥压力板。这些板材以及纤维增强硅酸钙板和纸面石膏板等多为机械化流水线生产,配合比和生产的基本工艺很成熟,产品质量较为稳定。无机玻璃钢板是20世纪90年代初出现的,投资少、成本低且易于加工,因而发展迅速。

  用作防火板时,除应具有常温状态下的各种良好物理力学性能外,在高温作用下,还应具有如下性能:(1)在高温下应保持一定的强度和尺寸的稳定,不产生较大的收缩变形;(2)受火时不炸裂,不产生裂纹,以免影响板材的整体强度和隔热性;

  图6_37为防火板用于箱形钢柱的构造示意图,图6_38为用于圆形柱的示意图。

  用KB板时,板与构件间的空隙为40mm,用石膏板时,空隙为65mm。分别用龙骨或底材固定。

  天津建工集团第二建筑工程公司在多层钢管混凝土住宅建筑中,用防火板把圆钢管混凝土柱(D约500mm)包成方形,最小空隙50mm,空隙内填低标号混凝土。在天津消防科研所通过试验,能抗住火焰的极限超过3h。为了更好的提高建筑钢材的抗火性能,最早从事耐火钢研究的是法国USINOR钢厂,在1976年就有研究报道,但并未实际应用。日本新日铁于1988年7月完成了50公斤级耐火结构用钢SM490FR的开发和生产,至1991年应用于工程已达2万多吨。这种FR钢在温度达600℃时,屈服强度仍保持为原来的2/3以上。和普通SM490钢材相比见图6_39。图中YS是屈服强度,TS是抗拉强度。采用了耐火钢后,能够大大减少防火涂料的用量。近年来,宝山钢铁公司和武汉钢铁公司都研制成功了一种耐候耐火钢。这种新钢种的抗锈能力比普通钢提高2～8倍,当升温至600℃时,屈服强度只下降约13。表6_11列出了武汉钢铁公司生产的高性能耐火耐候建筑用钢(WGJ510C2)的化学成分,表6_12为力学性能。

  宝钢和武钢年产量都在300万t以上。上海中福城17层住宅楼设计中已经采用了这种耐候耐温钢。能节约大量的防火涂料。

  本章介绍了组合结构的抗火设计,包括高温下钢材和混凝土的性能,火灾效应及模型化处理,火灾下构件的温度场计算,钢管混凝土柱抗火全过程分析,钢管混凝土柱的能抗住火焰的极限和保护层厚度的计算,以及防火材料等。这是当前国内外对建筑结构抗火设计的通用方法。

  然而,火灾中的真实的情况十分复杂,进行模化处理后,与真实的情况有着非常大差别。更重要的是,实际结构常为超静定体系,在高温作用下,组成构件性能的变化将相互产生一定的影响。目前,抗火设计只限于孤立的构件,如梁或柱,并未考虑因高温作用而改变了相互间的约束作用,显然误差较大。因此,结构的抗火设计远未达到准确的程度,还有很多问题得继续研究解决。