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    鋼結構的防火設計

    2018-12-20   來源:   點擊數:13次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港網民提供:技術交流銅結構的防火設討中國石化巴陵石油化工設計院王平內容本文根據工程實例敘述了鋼結構防火設計的基本原則,論述了鋼結構防火涂料的分類及防火原理,闡述了防火涂料性能的檢測。
      
      采用了大量的鋼框架多層廠房鋼結構管架,這是我院規模最大的一次鋼結構設計工程。其中,防火設計就是鋼結構設計中非常重要的一個環節。
      
      一、概述鋼結構耐火性差,一般當結構溫度達到35CTC、500*C、600*C時,其強度分別下降了1/3、1/2和2/3,未加保護的鋼結構在火災溫度下,只需15分鐘,自身溫度就可達到540C以上,鋼材的力學性能,諸如屈服點、抗壓強度、彈性模量以及承載能力等都迅速下降,鋼結構雖是不燃體,但耐火極限僅0.25小時,所以當遭火災時鋼結構在20分鐘內就將被烈火吞噬變成麻花狀的廢物。
      
      火災對國民經濟和人類環境造成巨大經濟損失和人身傷亡。據發達國家1980年的統計,火災直接損失平均約占國民經濟生產總值的0.2% 0.3%,死亡率達十萬分之二左右。我國的火災損失呈增長趨勢,年平均增長率為24.3%,我國火災統計中,城市火災占很大比例。煉油廠也時有火災發生,如東方紅煉油廠1975年第二套常減壓裝置發生火災,南京煉油廠1993年油罐著火,都給國家帶來經濟損失。
      
      隨著鋼結構建筑的迅速發展,隨之而來的防火保護技術問題日趨突出。我國二十世紀八十年代初期從國外引進了一些鋼結構防火涂料,如英國的MandoliteP20防火隔熱材料,美國的FCC-50鋼結構膨脹防火涂料和日本的礦纖維噴涂材料等。自二十世紀八十年代中期起我國有關單位先后研究開發厚涂型和薄涂型兩類鋼結構防火涂料,并廣泛用于亞運會體育館、國貿中心、京城大廈等國家重點建設工程中,提高了鋼結構耐火極限,達到了防火規范要求,有的還經受了實際火災的考驗。
      
      二、鋼結構防火設計的基本原則在岳化環氧樹脂廠24000t/a環氧氯丙烷裝置的鋼結構設計中,根據國家標準《石油化工企業設計防火規范》(GB50160-92)中對鋼結構中的耐火保護規定,六個多層鋼框架廠房高度在10m以下(包括1m)的梁柱表面均噴涂了JA60-4(H類)厚涂型防火涂料,涂層厚度20mm;鋼管架高度在4.5m以下(包括4.5m)的柱(當最下層梁底標高超過4.5m時,保護至梁下300mm處,但不宜低于4.5m)表面均噴涂了JA60-4(H類)厚涂型防火涂料,涂層厚度20mm;單層承重的鋼支架的全部梁柱表面均噴涂JA60-4(H類)厚涂型防火涂料,涂層厚度20mm.以上鋼結構防火涂料的耐火極限均不應低于1.5小時,鋼結構在噴涂防火涂料前,必須清除防銹層,最低除誘等級不得低于ST3級,除銹后刷H88-1型防銹底漆二道。
      
      為保證防火涂層做到“安全可靠”和“經濟合理”,對于不同規格和不同耐火極限要求的鋼結構構件應噴涂不同的涂層厚度。
      
      當選用的防火涂料產品已經作過不同厚度涂層的耐火試驗時,可以根據防火規范對鋼結構構件耐火極限的規定,直接選用需要噴涂的涂層厚度。
      
      當工程中確定用厚涂型防火涂料時,待保護的鋼構件與標準試驗鋼構件的規格尺寸差距較大,又不能對每種規格的鋼構件都噴涂涂料作耐火試驗時,可以根據已有試驗數據用經驗公式計算來確定涂層厚度。下述公式是由美國UL試驗室提出,在技術交流中此“鵪梁的涂層厚度,擴大到可以計算鋼柱的涂層厚度。
      
      中國鋼管信息港網民提供:計算公式如下:D1-待保護鋼梁與涂層接觸面周長(mm)D2-標準試驗時鋼梁與涂層接觸面周長(mm)K-系數,對鋼梁,K=1;對相應樓層鋼柱的保護層厚度,取K=1.25 9mm,耐火時間t1h,一般用136b鋼梁作標準耐火試驗,則:W2/D2=65.66/1110=0.0592,其他規格I字鋼梁防火涂層換算系數:a=對薄涂型涂料厚度的確定一般還是以耐火試驗時涂層厚度為依據,并可適當留有余地,以增加安全系數。熱乳丨字鋼,宜采用較大的型號,焊接H型鋼在同種型號中宜采用腹板較厚的規格,對防火較為有利。
      
      根據安全可靠、技術先進、經濟合理的原則,在設計露天鋼結構防火保護時,應以耐火性考慮,并優先選用可直接噴涂施工技術先進的厚涂型涂料。
      
      三、鋼結構防火涂料的分類及防火原理根據國內外鋼結構防火涂料的構成、性能特點、應用范圍、可分成薄涂型(B型)和厚涂型(H型)兩類防火涂料。
      
      1.薄涂型(B型)鋼結構防火涂料薄涂型(B型)鋼結構防火涂料又稱為鋼結構膨脹型防火涂料。涂層厚度一般為2定裝飾效果,高溫時膨脹增厚耐火隔熱,耐火極限在0.5 ~1.5h,涂層的粘結力強,抗振動和撓曲性好,所以特別適用于體育館、工業廠房裸露的有裝飾要求的鋼結構或輕型鋼結構。
      
      薄涂型防火涂料由粘合劑、催化劑、發泡劑、碳化劑、填料及改性劑等組成。粘合劑使涂料各組分粘接在基材上,使涂料具有良好的理化性能。催化劑遇火分解出酸,使碳化劑脫水,碳化形成牢固碳骨架,發泡劑遇火分解出大量不燃氣體,將碳架軟體“吹塑”成蜂窩狀的阻火泡沫層,并有稀釋氧氣的作用。填料則可提高涂料耐火性能,使涂料的常溫理化性能達到要求,同時火災條件下膨脹發泡層密實、避免發泡層被熱流沖掉。改性劑是為有利于涂料的涂刷性、成膜性、耐候性、抗凍性、貯存穩定性的組分。由于涂層的碳質泡膜在1000T高溫下,穩定性降低并逐漸碳化掉,國內外提供的耐火極限數據均未達到2h,涂層厚度不超過7mm.厚涂型(H類)鋼結構防火涂料,又稱鋼結構隔熱防火涂料。涂層厚度一般為8~50mm,導熱率低,耐火極限可達0.5~3h.適用建筑物竣工后被隱蔽,或外觀要求不高,耐火極限在1.5h以上的鋼結構。
      
      厚涂型鋼結構防火涂料,一般由無機絕熱骨料,無機膠結劑,防火添加劑,化學助劑及填料等混合配制而成。有蛭石水泥系、氧氯化鎂水泥系、礦纖維水泥系等類。絕熱骨料是涂料的主體,起隔熱耐高溫作用,常是輕質多孔材料,孔隙率越大,氣孔直徑愈小,骨料導熱系數小,從而降低構件溫度升高的速率,提高構件的耐火能力,膠結劑是涂料的重要組成部分,將各組分牢固地粘結在一起,形成具有一定強度的涂層,同時牢固粘結于基材,膠結劑大多采用水泥硅酸鹽等,以水為分散介質。添加劑在高溫下產生熱分解并釋放出不燃氣體。從而降低環境溫度。化學助劑則是在使涂層硬化后在涂層內部形成封閉氣孔,提高絕熱性能,同時改善施工條件。填料是為降低涂料成本而摻加的活性混合材料。
      
      隔熱防火涂料的防火作用是基于硅酸脫水吸熱材料(添加劑)分解過程和隔熱過程來實現的,硅酸鹽類膠結劑水化后,水化物中含水量15%以上以結晶水形式存在于水化物中,當涂層暴露于火源時水化產物發生脫水、汽化作用,從而吸收大量熱量,蒸發1kg水可吸收2.34MJ的熱量,涂層中的吸熱材料因受熱而發生分解或相變過程。這些過程同樣會消耗一定的能量,從而降低構件的升溫速率提高構件的耐火能力。
      
      露天鋼結構用隔熱防火涂料,有的產品需在涂層表面增設防水防火面層,以保證防火耐久性,同時可改善涂層的裝飾性能。
      
      四、防火涂料性能的檢測不論哪類防火涂料,其產品都應通過國家技術技術交流監督局指定的國家防火建筑材料質量監督檢驗測試中心的檢測(地址:四川省都江堰市)達到規定的技術性能指標的涂料才可選用。CECS24:90規范對防火涂料技術性能指標作了明確的規定。
      
      (1)耐火極限:這是防火涂料根本的指標,是根據國家標準《建筑構件耐火試驗方法》(GB9978-88)測定的。該標準等效采用國際標準IS0834-1975《建筑構件-耐火試驗》。標準規定了試驗的裝置、試驗條件、試件要求、試驗程序、耐火極限判定條件和試驗報告。
      
      耐火極限判定條件:承重構件是按是否失去承載能力或抗變形能力判定,梁以試驗過程中,試件發生垮塌或試件的最大撓度超過L/20(L為試件跨度,單位cm)時,則表明試件達到耐火極限。柱以試驗過程中試件發生垮塌或試件的軸向收縮引起的變形速度超過3xH(mm/min)(H為試件在爐內的受火高度,單位m)時,則表明試件達到耐火極限。當承重構件同時起分隔作用時,還應按失去完整性,或失去絕熱性時為達到耐火極限。
      
      (2)粘結強度:這是各類防火涂料在性能上的共同要求,粘結力差,涂層會隨時間的推移而龜裂,脫落,失去防火保護作用。粘結強度的測試方法是參照《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》(6巳9153-88)6.12條粘結強度試驗進行。
      
      (3)耐水性:用以表明涂料在不同氣候條件下使用具有一定的耐久耐候性能。其測試方法參照《漆膜耐水性測定法》(GB1733)甲法進行。即噴涂于試件(120x50x10的鋼板)上的防火涂料放在60±5*C的烘箱內干燥到恒重,取出放人室溫下的自來水浸泡,觀察有關起層、脫落等現象的發生。
      
      (4)耐凍融循環性能:同樣表明涂料的耐久耐候性能。其測試方法參照《建筑涂料耐凍融循環性測定法》(GB9154-88)進行試件與耐水性試驗相同。用于室內的鋼結構防火涂料,將干燥后的試件放置在23*2*C的室內18h,取出置于-18~ -20T的低溫箱內冷凍3h,再取出放置在50*2*C的烘箱內3h為一循環,如此往復記錄數次,觀察涂層開裂、起泡、剝落等異常現象。對于室外的鋼結構防火涂料,應將試件放置在23*2t的室內18h,改為置于水溫23*2t的水槽內浸泡18h,其余條件不變。因此,選用室外鋼結構防火涂料要慎重。
      
      (5)抗壓強度、干密度、導熱率:厚涂型鋼結構防火涂料其涂層要求干密度小,同時導熱率也低,耐火隔熱性能就好。但是干密度太小,涂M強度降低易破損,因此規定了適宜的抗壓強度、十密度和導熱率性能指標。
      
      (6)抗振、抗彎曲性:薄涂型鋼結構防火涂料大多用于體育館和工業廠房裸露鋼結構上,鋼構件截面積小,受到振動和撓曲變形的機會多,涂層易脫落和開裂。其試驗方法是在研究開發防火涂料新品種中根據工程應用而建立起來的。
      
      2.鋼結構防火涂料的耐久性防火涂料不同于其他功能性涂料,如防腐、防水涂料,一旦功能失去后就會導致材料腐蝕、屋面漏水,人們能在較短時間的發現并進行處理,而防火涂料其功能在火災初期表現出來,如其防火功能喪失,涂層不起防火作用,其損失不可彌補。
      
      中國鋼管信息港網民提供:厚涂型防火涂料的防火耐久性,與其粘結劑的組成和用量,絕熱骨料孔隙體積密切相關。薄涂型防火涂料的防火耐久性與粘結劑組成和用量、膨脹劑的類型和用量密切相關。一般來講,厚涂型防火涂料的耐久性好于薄涂型防火涂料。
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