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南昌市赣达金属材料有限公司
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钢结构的防火设计

创建时间:2021-12-18 14:56 浏览次数:362

钢结构防火设计,与混凝土结构的防火设计差之千里,即使如此,建筑依惯例,也是仅注明梁柱耐火限,而结构压根就不闻不问,钢结构防火真是姥姥不疼舅舅不爱。钢构防火特殊,设计弄不明白,监理糊里糊涂,施工闹不机敏,大多数自认为防火涂料就行,特别是甲方惟欲薄型(膨胀型)~因为不影响任何功能外观,当然跟卖涂料的夸夸其谈,监管不熟而默然也有关系。

钢结构防火设计,与混凝土结构的防火设计差之千里,即使如此,建筑依惯例,也是仅注明梁柱耐火限,而结构压根就不闻不问,钢结构防火真是姥姥不疼舅舅不爱。钢构防火特殊,设计弄不明白,监理糊里糊涂,施工闹不机敏,大多数自认为防火涂料就行,特别是甲方惟欲薄型(膨胀型)~因为不影响任何功能外观,当然跟卖涂料的夸夸其谈,监管不熟而默然也有关系。

钢结构防火与混凝土结构不一样,主要体现在砼结构因保护层耐火时限足够,故而无需计算。而钢结构没有保护层,直接就是受力构件。所以有三种设计方法,分别是:“耐火限法”“承载力设计法”和“限温度法”,耐火限法,跟混凝土结构模式一模一样,也就是目前95%以上设计图纸所采用的方法,特点是省事,仅注明梁柱耐火限(当然这也不够深度,后面再说),而其余的一律不管。

另一种方法,先明确在采用防火防护层的情况下,火灾多长时间(对应耐火限)能达到多高温度,再计算达到此温度时对应钢构件多大强度ft(当然ft肯定比常温f要减小),然后根据钢材的高温强度ft,再纯结构进行钢结构构件的拉压弯剪,以及压弯拉弯计算。

第三种方法,先计算常温下钢结构的拉压剪弯“荷载比”R(0.3~0.9),再根据荷载比及其他诸多参数,而确定钢构件可承受的温度,谓之限温度,然后再根据火灾升温曲线,计算多长时间(耐火限)是否达到限温度,从而决定是否需要防火防护层及其厚度。

三种方法说起来很简单,若按字进行排版,公式就得一尺长,涉及钢材截面形状、保护层特性、火灾特征,比热容等参数,麻烦得很。主要的是须考虑钢构件的受力因素,确实更科学更合理,也更符合客观情况,从耐火限法向承载力法或限温度法的转变,须要求建筑和结构两个的紧密结合,甚至某种意义上,更是结构占地位。

钢结构防火设计方法,是设计和图审应考虑和计算的,但落实到图纸上要求咋做,才是施工、监理、监管所关注的。那么图纸上关于钢结构防火归根到底应该到什么深度呢?咱们以防火涂料为例,《GB51249》第3.1.4条说的很清楚,若采用非膨胀涂料,应该明确涂料厚度和等效热传递系数。

若为膨胀性涂料,应该明确厚度与等效热阻。防火涂料的老标准分为厚型、薄型、超薄型,以至于现行规范实施好几年了,人们还常如此称呼。现行规范依据不同情况,将涂料分成不同类别:室内型和室外型,通用型和专用型,水基型和溶剂型。当然原有的厚型、薄型和超薄型依据厚度分类,现已根据受火后的变化情况调整为膨胀型和非膨胀型。

非膨胀型一般为无机绝热材料 ,厚度25-40mm,遇火不膨胀,规范中小厚度15mm;而膨胀型则是主体为有机树脂,外加发泡剂阻燃剂,因其受火后厚度膨胀十几倍,变成多孔碳化层,所以它有两个厚度,膨胀之前称为涂层厚度,受火之后称为膨胀层厚度。

膨胀型涂料的涂层厚度不能太厚,否则影响膨胀效率,且存在日常开裂脱落风险,耐久性不足,就跟假如你需要一克洗发水就把头洗的干干净净,非给你半斤,不但浪费,也影响效果。涂层厚度须依据等效热阻经计算而定,当然也有构造小厚度,依据GB14907-2018第5.1.5条不得小于1.5mm。

其实,钢构件的防火措施,除喷涂防火涂料之外,还有安装防火板,包覆柔性毡状隔热材料以及刚性防火如混凝土砂浆或砖。防火板以纤维水泥板或石膏纸板类居多,有薄厚型和之分,自攻钉与龙骨连接,关键点在于缝隙处理;毡状隔热材料有硅酸铝纤维和玻璃棉岩棉等,关键点在于潮湿环境禁用;钢丝网混凝土砂浆或砌体刚性防火层太厚,占空间大,应用也不多。

上述防护措施,应由建筑在图纸中明确,建筑图中仅仅注明钢梁柱耐火等级是远远不够的,除了体现耐火等级和梁柱耐火限之外,还须补充一些其他东西,按《钢结构防火技术规范》的第3.1.1条,同时这也是一个强条:柱间支撑(ZC)和柱间系杆(XG)的设计耐火限与钢柱相同;屋盖支撑(SC)和屋盖系杆(XG)的设计耐火限与屋面钢梁相同。

因此除对钢柱梁进行防火设计外,还应对柱间支撑(ZC)和柱间系杆(XG)、屋盖支撑(SC)和屋盖系杆(XG)进行防火设计计算。对于厂房来讲,另外还有一个强条,钢结构防火规第3.1.3条,钢结构节点的防火保护与被连接构件中防火保护要求高者相同。

但是上述这些内容,建筑咋会明白?尤其“强剪弱弯、墙柱弱梁、强节点弱构件”的结构原则,在建筑不懂而结构不闻不问中,关键问题就烟消云散而香消玉殒了。非常值得注意的是,门式刚架中如果采用圆钢支撑,直径一般不大于25mm,若采用非膨胀型防火涂料(厚型),厚度至少20mm,施工太困难,即使勉强施工,终可能会达到直径65mm。

你想想十来米长粗65mm大坨子,芯是之间直径不大于25mm钢棍,由于其刚度小,容易产生震动、变形,厚度较大的防火涂料会脱落,正如高空电缆覆裹冰雪一样。因此,屋盖圆钢支撑尽可能采用膨胀型防火涂料(薄型)。因为性太强,建筑看不懂,结构不屑于,但那是结构的责任。

咱们明确了钢结构防火设计的计算是结构负责,下面简要分析一下钢结构设计软件的防火设计。仅提供膨胀和非膨胀涂料计算,虽有钢丝网砂浆,但不能应用,计算也很简单,只能出等效热阻,无法提供等效热传递系数,甚至计算书中明显的地(低)碳环保~

盈建科与基本类似,甚至连耐火等级都取消,提供了一个重要性系数,默认纤维燃烧物,也提供了烃类火灾曲线。提供可选保护层类型,勾选构件考虑温度组合,找到盈建科钢结构防火设计输出端,图形中却没有显示结果。

上述两种软件,根据技术条件,它们仅提供限温度法进行简单计算,一次定义简单有限的参数后,仅计算涂料厚度与等效热阻。相对来说3D3S要复杂一些,以门式刚架为例,连楔形构件自定义形状系数都有,而且是交互输入,分别定义,终以图形模式输出,可自动输出计算书。

钢结构防火这么复杂,但一直以来不为人所不知,也不常用。就连几个国内航母级结构分析软件,都对此一带而过,浅尝即止,根本达不到应有深度。设计文件中连防火涂料厚度和等效热传递系数及热阻都没有提及,就要求一个耐火限,根据涂料产品说明书施工自己看着定。

虽然确实很复杂,又没有效得力的计算工具,但作为一个负责任的设计,起码得明确涂料厚度,以及等效热传递系数和等效热热阻。如果采用其他防护措施,也给人家说明白点,实在不懂,起码也看看检测与验收的那一章,提出一些概况性要求也行。

顺便脚谈谈新中国消防设计规范演变历程,再配一点消防基础知识~燃烧与火灾机理。消防规范早可追溯至1956年国家建设委员会批准了和建工部参考苏联规范而编制的《工业企业和居住区建筑设计暂行防火标准》,直至1975年国家基本建设委员会批准和化工部编制的《建筑设计防火规范》TJ16-74,从消防设计此步入正轨

九十年代初,按照关于防火“以防为主、消防结合”的批示,1995年修订了《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95,但是因《建规》和火)规》有诸多不一致,所以住建部2014年将建规和高规合并为新《建规》GB50016-2014,之后2018年因老年人设施而局部修订,至此成为现行版本。

说到这不得不说说火灾机理,谈火灾必然与燃烧相关。燃烧三要素是可燃物、助燃物和引火源,所以火灾轻重影响因素就是可燃物的数量、布置和性质。数量就是多与少,布置就是分散与集中,性质可分为两类:一)普通纤维类,包括衣物、被服、纸张、木柴等常见物,经过实验,又称标准升温曲线;二)石油化工产品、烷炔烯等烃类或其他高分子化工物的厂房。又称为碳氢升温曲线。

碳氢升温曲线比标准升温曲线陡的多,从局部燃烧到燃烧耗时很短,“轰燃阶段”迅速而短暂。很短时间即可达到峰值。所以防火规范要求,无论民用建筑和工业建筑,甲乙类物质严禁存放地下室,否则相当于大型火灾轻重的影响因素是环境,狭仄的环境,与高大广阔空间升温曲线差的很多。

燃烧学和火灾升温曲线属于基本知识,就跟抗震的震中、震源深度、震中距和纵波横波一样,结构抗震设计都不会涉及。正如那年我在北川老县城宏观调查的沿街很长建筑群的坏形式,与波的波长有关,但你敢打包票你家建筑肯定不位于波峰或波谷处,从而震灾很轻吗?同样,你敢保证你家可燃物分布和场景对火灾升温曲线非常有利而火灾很小吗?所以,还是规规矩矩以调查统计而得的国家规范为依据,进行标准化设计。

钢构防火总结:钢结构特点一方面是热阻小而升温迅速,是随温度升高而强度剧烈降低。所以钢结构防火很重要。重要的话也不用说三遍了,这篇文章讲了好多钢结构防火知识,主要是基于构件的防火设计,其实更准确的应该是基于建筑整体防火设计~高大上~酷炫妙,讲究空间温度场分析,动态火景分布,还得考虑热膨胀因素,基于整体的防火设计,需要专门大型软件,甚至考虑大数据云计算。

规范规定,跨度大于60米钢结构,宜进行基于整体式的防火设计;跨度大于120米和预应力钢结构,应进行基于整体式防火设计。但正如前文所述,基于构件的防火设计软件都简单的可怜,而基于整体防火设计软件,国内更是凤毛麟角,可是国外软件咱仅耳闻,从没见过,更别提测试。

从实用主义角度看,熟悉了夏工的钢结构防火设计论述,对于建设单位来说也很有好处。如特定情况下,荷载比不大,截面形状系数很小,耐火限又不高,有可能会出现Td>Tm,构件可不需任何防火保护~能省钱;还有比如明确一类檩条和二类檩条,量大面广的一类檩条也可以不需防火保护,从而合法依规、杜绝隐患而又节省造价,从社会和谐的角度看,也有利于社会发展。

若从设计角度看,目前绝大多数都不合格,譬如依据《GB51429》第4.1.3条,室内隐蔽构件和耐火限大于1.5小时的构件,不能采用膨胀型涂料。如此一来,二级耐火等级以下的梁可以薄涂,但钢柱肯定不能用薄型涂料,须用非膨胀涂料,可现实中违规者比比皆是;另外对于薄型防火涂料与防腐漆等相容性须作出要求,否则很短时间内就自己就化学反应了,脱落在所难免,何谈耐久性?

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