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钢结构具有独特的优越性，它适用于各种工程结构，因而在工业与民用建筑中得到了广泛的应用。但钢结构耐火性能差早已为人们所熟知，钢材虽为非燃烧材料，但却易导热、怕火烧，其耐火极限仅为15～20分钟。在火灾的温度下，钢结构的强度是温度的函数。未加防火保护的钢结构，当结构温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下将1/3、1/2、2/3，当结构温度达到600℃以上时，将完全丧失承载能力。因此，在火灾作用下，钢结构不可避免地扭曲变形，最终导致垮塌毁坏。
上图是：2013年1月1日杭州萧山钢构厂房发生火灾 三名消防员遇难
钢结构发生火灾后，结构垮塌快，给消防灭火工作带来极大的困难同时减少了受困人员的逃生时间；且垮塌后的钢结构变成“麻花状”或“面条状”的废物，很难修复使用，往往带来重大人员伤亡和经济损失。国内外钢结构遭火灾倒塌的例子不胜枚举。如1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600㎡的库房倒塌；2001年的美国纽约世界贸易大厦双塔遭恐怖分子飞机袭击，航空煤油爆炸后引发高温燃烧，两幢420m高的钢结构摩天建筑先后轰然倒塌，造成近4000人死亡和1000多亿美元的经济损失。因此钢结构防火的研究、设计和运用应受到特别的重视。
上图是世贸大厦燃烧倒塌
钢结构的防火包括结构的防火设计和结构的防火保护措施。
钢结构防火设计的实质是：选定保护材料及所需厚度，从而使结构在火灾中的升温不超过其临界温度而确保耐火稳定性。防火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
一、钢结构防火设计的一般规定
1 钢结构的防火设计应符合国家《建筑设计防火规范》GBJ16、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045及《石油化工企业设计防火规范》GB50160、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99等的有关规定。建筑师应慎重并合理地确定工业建筑的防火类别与建筑物的防火等级，必要时应与消防部门共同商定设防标准。
２ 钢结构构件的防火设计原则，是在设计所采用的防火措施的条件下，能保证构件在所规定的耐火极限时间内，其承载力仍不小于各种作用和组合效应。建筑物等级所要求承重构件耐火极限如表１－12。
表１－12 建筑构件的耐火时限（h）
|
规范 |
耐火等级 |
耐火时限（h） |
||||
|
柱 |
梁 |
楼板 |
屋顶承重构件 |
|||
|
支撑多层的柱 |
支撑单层的柱 |
|||||
|
建筑设计 防火规范 |
一级 |
3.0 |
2.5 |
2.0 |
1.5 |
1.5 |
|
二级 |
2.5 |
2.0 |
1.5 |
1.0 |
0.5 |
|
|
三级 |
2.5 |
2.0 |
1.0 |
0.5 |
||
|
高层民用建筑设计防火规范 |
一级 |
3.0 |
2.0 |
1.5 |
||
|
二级 |
2.5 |
1.5 |
1.0 |
|||
二、常用的防火措施
1、单面屏蔽法。在钢结构的迎火面设置阻火屏障，将构件与火焰隔开。当发生火灾时，屏障的阻隔使得钢构件避免了急速升温。如果在钢结构所有的构件外表面设置防火屏障，结构造价势必会大幅度增加，而且这种做法也不现实，但在特殊部位设置防火屏障不失一种既方便又较经济的钢结构防火方法。
2、用耐火轻质板作为防火外包层。
办公与居住建筑等的钢结构，当同时有防火与装饰要求时，可在钢结构表面做除锈及涂底漆（粘贴面不可涂底漆）后，采用防火板（如ALC板）等专用的、可模制定型的装饰性板材外包防火构造。
无装饰要求的工业与民用建筑钢结构，可根据造价、施工条件等因素采用防火板材外包防火构造。钢结构防火用板材分为两类：一类为密度大、强度高的薄板，如短纤维增强的各种水泥压力板（包括TK板、FC板等）、纤维增强普通硅酸钙板、纸面石膏板、以及各种玻璃布增强的无机板（俗称无机玻璃钢）；另一类是密度较小的厚板，如轻质（或超轻质）硅酸钙防火板（如KB板）及膨胀蛭石防火板。板材不同厚度与不同构造的耐火性能、时限等，均应有国家检测机构的检测认定。防火板由工厂加工，它的表面平整，装饰性好，施工为干作业。用于钢结构防火具有占用空间少、综合造价低的特点。各种防火板主要技术性能指标见下表1-13。
表１－13 各种防火板主要技术性能
|
项目 |
外形尺寸 长×宽×厚（mm） |
密度 （kg/m3） |
标准构件试验耐火极限小时（h） |
最高使用温度 （CO） |
导热系数 （W/(mk)） |
|
纸面石膏板 |
1800～3600 ×1200×9～12 |
800 |
0.15（9mm） 0.25(12mm) |
600 |
0.194 |
|
TK板 |
1200×3000×800～1200×4～8 |
1700 |
＜0.25（8mm） |
600 |
0.35 |
|
FC板 |
3000×1200×4～6 |
1800 |
＜0.25（6mm） |
600 |
0.35 |
|
纤维增强硅酸钙板 |
1800×900×6～10 |
1000 |
0.25(10mm) |
600 |
0.28 |
|
无机玻璃钢板 |
1000×2000 ×2～12 |
1500～1700 |
/ |
600 |
0.24～0.45 |
|
蛭石板 （英国vicuclad） |
1000×610 ×20～65 |
430 |
1 (20mm) 2 (30mm) 3 (50mm) |
1000 |
0.113（250CO时） |
|
超轻硅酸钙板 （日本KB板） |
1000×610 ×25～50 |
400 |
2 (25mm) 3 (35mm) |
1000 |
0.06 |
|
超轻硅酸钙板 （上海XT板） |
600×300×20～60 |
400 |
3 (40mm) |
1000 |
0.05 |
3、 浇筑混凝土或耐火砖。采用混凝土或耐火砖完全封闭构件，这种做法的优点是强度高、耐冲击，但缺点是要占用的空间较大，例如，用200号混凝土保护钢柱，其厚度为5～250px才能达到1.5～3小时的耐火极限。
上图是钢骨（劲性）混凝土结构，钢结构外包裹钢筋混凝土并共同受力。
4、 水冷却法。既在呈空心截面的柱内注入水，与设置的水箱相连，形成一个循环系统。当发生火灾时，热量被水吸收，从而保证了钢柱温度不会升温过高而丧失承载能力。为了防止钢柱生锈，需在水中加入专门的防腐剂。冬天为了防冻还需加入防冻剂，这种方法目前较少采用。
5、 涂抹防火涂料。这是目前通常采用的防火措施。将防火涂料涂抹在构件表面，这种方法施工方便，重量轻、耐火时间长，可以涂抹于构件的任何位置，不受截面形状的限制，具有较好的经济性和实用性。
下面将重点介绍钢结构的防火涂料。
三、防火涂料
１、钢结构防火涂料的分类
钢结构防火涂料的类型可根据不同的方法来定义：从所用溶剂来分，可分为溶剂型和水基型钢结构防火涂料；从使用范围分，可分为室内和室外钢结构防火涂料；根据防火机理分，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料；根据涂层厚度来分，可分为厚型、薄型、超薄型钢结构防火涂料。钢结构防火涂料的技术性能应符合下表1－14
表１－14 钢结构防火涂料技术性能要求
|
项目 |
指标 |
|||||||||
|
薄型（B类） |
厚型（H类） |
|||||||||
|
在容器中的状态 |
经搅拌后呈均匀液态或稠厚流体，无结块 |
经搅拌后呈均匀稠厚流体，无结块 |
||||||||
|
干燥时间·表干·h |
≤12 |
≤24 |
||||||||
|
初期干燥抗裂性 |
一般不应出现裂纹。如有1～3条裂纹，其宽度应不大于0.5mm |
一般不应出现裂纹。如有1～3条裂纹，其宽度应不大于1mm |
||||||||
|
外观与颜色 |
外观与颜色同样品相比应无明显差别 |
|||||||||
|
粘结强度，MPa |
≥0.15 |
≥0.04 |
||||||||
|
抗压强度，MPa |
≥0.3 |
|||||||||
|
干密度，kg/m3 |
≤500 |
|||||||||
|
热导率，W／（m·k） |
≤0.116 |
|||||||||
|
抗振性 |
挠曲l/200，图层不起层、脱落 |
|||||||||
|
抗弯性 |
挠曲l/100，图层不起层、脱落 |
|||||||||
|
耐水性，h |
≥24 |
≥24 |
||||||||
|
耐冻融循环性，次 |
≥15 |
≥15 |
||||||||
|
耐火性能 |
涂层厚度 |
3.0 |
5.5 |
7.0 |
8 |
15 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
标准梁耐火极限不低于，h |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
0.5 |
1.0 |
1.5 |
2.0 |
2.5 |
3.0 |
|
注：1 本表所列防火涂料性能仅适用于建筑物及构筑物室内使用的各类钢结构防火涂料，不包括室外钢结构防火涂料的技术要求。
2 超薄型钢结构防火涂料比普通膨胀性防火涂料涂层更薄，其装饰性和耐火性能更好，其涂层外观完全类同于一般饰面型涂料，既可喷涂也可手工涂刷。由于国内目前处于起步阶段，尚无正式标准。通常将3mm涂层厚，耐火极限不低于90分钟的膨胀型防火涂料称之为超薄型钢结构防火涂料。
２、几种常用的钢结构防火涂料
厚型钢结构防火涂料：所谓厚型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8～50毫米的涂料，这类钢结构防火涂料的耐火极限可达0.5～3小时。在火灾中涂层不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢材的温升，保护钢件。这类钢结构防火涂料是用合适的粘结剂，再配以无机轻质材料，增强材料组成。与其他类型的钢结构防火涂料相比，它除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外，由于它从基料到大多数添加剂都是无机物，因此它还具有成本低廉这一突出特点。该类钢结构防火涂料施工采用喷涂，一般多应用在耐火极限要求2小时以上的室内钢结构上。但这类产品由于涂层厚，外观装饰性相对较差。
上图是厚型防火涂料施工
薄型钢结构防火涂料：涂层使用厚度在3～7毫米的钢结构防火涂料称为薄型钢结构防火涂料。该类涂料受火时能膨胀发泡，以膨胀发泡所形成的耐火隔热层延缓钢材的温升，保护钢构件。这类钢结构涂料一般是用适当的乳胶聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等组成。对这种类型防火涂料，要求选用的乳液聚合物必须对钢基材具有良好的附着力，耐久性和耐水性好。该类钢结构防火涂料在生产过程中一般都分为三步：第一步先将各种阻燃添加剂分散在水中，然后研磨成规定细度的浆料，第二步再用基料(乳液)进行配漆，第三步在浆料中配以无机轻质材料、增强材料等搅拌均匀。该涂料一般分为底层(隔热层)和面层(装饰层)，其装饰性比厚型好，施工采用喷涂，一般使用在耐火极限要求不超过2小时的建筑钢结构上。
上图是薄型防火涂料
超薄型钢结构防火涂料：超薄型钢结构防火涂料是指涂层厚度不超过3毫米的钢结构防火涂料，这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡，形成致密的防火隔热层，是近几年发展起来的新品种。它可采用喷涂、刷涂或滚涂施工，一般使用在要求耐火极限2小时以内的建筑钢结构上。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，超薄型膨胀钢结构防火涂料粘度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出优点。在满足防火要求的同时又能满足高装饰性要求，特别是对裸露的钢结构，这类涂料是目前备受用户青睐的钢结构防火涂料。为了赶上或超过国外同类产品，满足市场的需要，研制和开发高耐候性的室外超薄型钢结构防火涂料是今后发展的方向。
３、钢结构防火涂料的选择及注意事项
(1) 实际工程中选用的防火涂料必须有国家检测机构对其耐火性能认可的检测报告及生产许可证。
(2) 民用建筑及大型公用建筑的承重钢结构宜采用防火涂料防火，一般应由建筑师与结构工程师按建筑物耐火等级及耐火时限，根据《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24，选用涂料的类别（薄涂型或厚涂型）及构造做法。
(3) 选用时宜优先选用薄涂型防火涂料，选用厚涂型涂料时，其外需做装饰面层隔护。装饰要求较高的部位可选用超薄型防火涂料。
(4) 防火涂料的厚度，宜直接采用实际构件的耐火试验数据。当构件的截面尺寸或形状与试验标准构件不同时，应按现行《钢结构防火涂料应用技术规程》CECS24附录三的方法，推算所需防火涂层厚度。
(5) 室外环境的钢结构，一般不考虑防火保护。但石化企业的室内、外应按《石油化工企业设计防火规范》的规定进行防火防护设计。当室外钢结构需防火保护时，应采用专用的露天用防火涂料，并以防锈底漆打底。
(6) 不得将饰面型防火涂料（适用于基材为可燃材料的木结构）用于钢结构的的防火保护。
(7) 重要的钢柱构件采用防火涂料保护时，一般应采用厚涂型防火涂料，且节点部位宜做加厚处理。当所用防火涂料的粘接强度小于0.05Mpa时，涂层内应设置与钢构件相连接的钢丝网。
(8) 承重钢梁构件采用厚涂型防火涂料时，其重要节点部位宜加厚处理。当为下列任意中情况时，涂层内应设与钢梁相连接的钢丝网。
① 受振动作用的钢梁；
② 涂层厚度大于或等于40mm的梁；
③ 梁用防火涂料粘接强度小于或等于0.05Mpa时；
④ 梁腹板高度超过1.5m时。
(9) 当有技术经济依据时，重要的承重构件可采用耐火钢外加防火涂料的防火做法，其防火设计及对材料性能、构造施工等方面的技术要求，可参照上海市地方标准《钢结构防火技术规范》的规定。
(10) 防火涂料的施工应由专业队伍承担，并按《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205及《钢结构防火涂料应用技术规程》CECS24检查验收。
各类防火涂料的特性及适用范围见表1-15。
表１－15 防火涂料的类别及适用范围
|
类别 |
特型 |
厚度（mm） |
耐火时限（h） |
适用范围 |
|
薄涂型防火涂料 |
附着力强，可以配色，一般不需要保护层 |
２～７ |
１.５ |
工业与民用建筑楼盖与屋盖钢结构，如LB型、SG-１型、SS-1型 |
|
超薄型防火涂料 |
附着力强，干燥快，可以配色，有装饰效果，不需要保护层 |
３～５ |
２.０～１.５ |
工业与民用建筑梁、柱等钢结构，如SB-2型、BTCB-１型、ST1-A型 |
|
厚涂型防火涂料 |
喷涂施工，密度小，物理强度及附着力低，需装饰面层隔护 |
８～50 |
１.５～３.０ |
有装饰面层的民用建筑钢结构柱、梁，如LG型、ST-1型、SG-2型 |
|
露天用防火涂料 |
喷涂施工，有良好的耐候性 |
薄涂３～１０ 厚涂２５～４０ |
０.５～２.０ ３.０ |
露天环境中的框架、构架等钢结构，如STI-B型、SWH型、SWB型（薄涂） |
表1-16列出国内钢结构防火涂料生产厂家及其产品情况，可供设计人与选用。
表１－16 国内钢结构防火涂料生产厂家及产品情况汇总表
|
生产厂家 |
型号 |
类别 |
主 要 技 术 性 能 |
参考价格 （元／t） |
检测日期 |
备注 |
|||||
|
耐火极限 |
密度 （kg/m3） |
抗压 强度 （MPa） |
粘结 强度 （MPa） |
导热 系数 （W/m·k） |
|||||||
|
（mm） |
(min) |
||||||||||
|
福建福日特种材料有限公司 |
FR-958ALG |
B H |
2.9 27 |
37 180 |
/ 332 |
/ 0.3 |
0.32 0.08 |
/ 0.123 |
1 2 |
1代表检验日期为1995-1996
2代表检验日期为1996-1997 |
|
|
上海腾申防火建筑材料有限公司 |
TS-B |
B |
6.1 |
89 |
/ |
/ |
0.15 |
/ |
1 |
||
|
洛阳广夏防水防火材料有限公司 |
ML-A |
B |
2.27 |
38 |
/ |
/ |
0.38 |
/ |
1 |
||
|
上海汇丽（集团）二厂 |
HJ-1 SJ-2 SJ-2 SJ-1 |
B H H H |
5.3 23.8 11 21 |
72 155 108 183 |
/ 483 439 637 |
/ 0.56 0.38 1.3 |
0.21 0.06 / 0.14 |
/ 0.102 / 0.191 |
13,000 4,400
4,400 |
1 1 2 2 |
|
|
浙江嵊州市防火涂料厂 |
CT-1 |
B |
5.2 |
70 |
/ |
/ |
0.18 |
/ |
12500 |
1 |
|
|
江苏兰陵化工（集团）涂料厂 |
LG SC-1 SC-1 SF-1 |
H B B B |
27.6 5.5 5.7 2.07 |
180 143 109 150 |
262 / / / |
0.4 / / / |
0.06 0.27 0.19 1.77 |
0.075 / / / |
1 2 2 2 |
||
|
大连海防新型防火涂料厂 |
SD-1 SD-2 |
B H |
5.3 27.6 |
97 136 |
/ 456 |
/ 0.5 |
0.09 0.07 |
0.102 |
1 |
||
|
上海吕巷云母防火材料厂 |
SJ-1 SJ-2 SJ-2 |
H H H |
24.9 19.4 24.3 |
150 150 195 |
685 452 452 |
2.0 1.2 1.2 |
0.21 0.06 0.06 |
0.162 0.104 0.104 |
4400 4400 4400 |
1 1 1 |
|
|
山东淄博消防器材厂 |
LB |
B |
5.3 |
60 |
/ |
/ |
0.36 |
/ |
1 |
||
|
山东临沂市东方化工厂 |
SLB |
B |
5.9 |
95 |
/ |
/ |
0.17 |
/ |
|||
|
中原油田第七化工厂 |
SDX-1 |
B |
3.4 |
58 |
/ |
/ |
0.11 |
/ |
|||
|
北京城建天宁消防责任有限公司 |
TN-LG TN-LB |
H B |
39.5 5.8 |
162 121 |
448 |
0.33 1 |
0.05 0.39 |
0.108 |
10500 |
1 2 |
|
|
德国Herberts（贺柏兹）公司 |
38320
38091 |
B
B |
0.64 0.89 2.63 0.68 0.90 2.42 |
45 59 63 51 67 124 |
0.19
0.15
|
||||||
|
成都都江防火涂料厂 |
LB LB LF LF LF |
B B B B B |
7.4 5.4 1.59 2.0 1.74 |
2.05 75 75 94 65 |
0.19 0.18 0.24 0.19 0.19 |
1500
3500 |
1 2 1 2 2 |
包玻璃布 |
|||
|
四川消科所试验厂 |
SCB
SWB SWH |
B B B B H |
1.66 1.71 2.69 6.5 25 |
38 69 147 99 219 |
580 |
1.2 |
0.19 0.52 0.52 0.31 0.09 |
0.18 |
20,000
14000
9000 |
1 2 2 2 2 |
包玻璃布 |
|
四川内江协安防火材料有限公司 |
NXGB-60A |
B |
5.2 |
92 |
0.89 |
1 |
|||||
|
英国Nullifire Ltd |
S605 |
B |
0.22 2.24 3.6 |
33 106 168 |
0.55 |
1 |
|||||
|
昆山市防火材料厂 |
A60-501 GJ-1 |
B B |
2.3 5.2 |
100 137 |
0.17 0.42 |
包玻璃布 包玻璃布 |
|||||
|
广州泰堡防火材料有限公司 |
KFR-1 |
B |
1.77 |
0.62 |
2 |
||||||
|
福建晋江华强防火涂料厂 |
BGW-90 |
B |
6.0 |
0.22 |
19800 |
2 |
|||||
|
北京追龙防火材料厂 |
BS-2 |
B |
6.0 |
0.38 |
2 |
||||||
|
上海梧柏特种涂料厂 |
GJ60-SW |
B |
3.8 |
0.21 |
2 |
||||||
|
杭州灯塔防火材料有限公司 |
LB |
B |
5.9 |
0.17 |
2 |
||||||
|
洛阳宝生防火材料厂 |
SJ-1 |
H |
20.7 |
671 |
1.36 |
0.25 |
0.214 |
2 |
包钢丝网 |
||
|
中电宜兴节能工程公司 |
SJ-1 GJ-B |
H B |
23 5.9 |
613 |
1.3 |
0.21 0.37 |
0.223 |
2 |
|||
|
乌鲁木齐市安顺产业公司 |
XW |
B |
6.4 |
98 |
0.20 |
2 |
|||||
|
北京市建筑涂料厂 |
SB-2 |
B |
5.8 |
66 |
0.24 |
19800 |
2 |
包玻璃布 |
|||
|
北京环航表面技术工程合同 |
GJ-1 |
B |
5.8 |
190 |
0.3 |
18000 |
2 |
包玻璃布 |
|||
|
成都双流消防器材厂 |
GF GF |
B B |
2.62 2.49 |
90 33 |
0.08 0.08 |
2 |
|||||
|
江苏建湖轻化厂 |
SJ-1 |
H |
27.9 |
167 |
652 |
0.08 |
0.189 |
||||
注：1 本表所列厂家、产品、主要技术性能取自国家防火建筑材料质量监督检验中心汇编技术手册，均为合格产品。
2 类别中B代表薄涂型（膨胀型），H代表厚涂型（隔热型）
3表中所列部分产品参考价主要依据中国消防协会所编消防产品目录中所提供的数字。
———————-
作者：Steeler
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