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钢结构的防火设计是怎样的?

人气:发表时间:2015-11-13

          随着钢结构建筑的迅速发展,随之而来的防火保护技术问题日趋突出。我国二十世纪八十年代初期从国外引进了一些钢结构防火涂料,如英国的MandoliteP20防火隔热材料,美国的FCC-50钢结构膨胀防火涂料和日本的矿纤维喷涂材料等。自二十世纪八十年代中期起我国有关单位先后研究开发厚涂型和薄涂型两类钢结构防火涂料,并广泛用于亚运会体育馆、国贸中心、京城大厦等国家重点建设工程中,提高了钢结构耐火极限,达到了防火规范要求,有的还经受了实际火灾的考验。
钢结构防火设计的基本原则在岳化环氧树脂厂24000t/a环氧氯丙烷装置的钢结构设计中,根据国家标准《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-92)中对钢结构中的耐火保护规定,六个多层钢框架厂房高度在10m以下(包括1m)的梁柱表面均喷涂了JA60-4(H类)厚涂型防火涂料,涂层厚度20mm;钢管架高度在4.5m以下(包括4.5m)的柱(当很下层梁底标高超过4.5m时,保护至梁下300mm处,但不宜低于4.5m)表面均喷涂了JA60-4(H类)厚涂型防火涂料,涂层厚度20mm;单层承重的钢支架的全部梁柱表面均喷涂JA60-4(H类)厚涂型防火涂料,涂层厚度20mm.以上钢结构防火涂料的耐火极限均不应低于1.5小时,钢结构在喷涂防火涂料前,必须清除防锈层,很低除诱等级不得低于ST3级,除锈后刷H88-1型防锈底漆二道。
  为保证防火涂层做到“安全可靠”和“经济合理”,对于不同规格和不同耐火极限要求的钢结构构件应喷涂不同的涂层厚度。
  当选用的防火涂料产品已经作过不同厚度涂层的耐火试验时,可以根据防火规范对钢结构构件耐火极限的规定,直接选用需要喷涂的涂层厚度。
  当工程中确定用厚涂型防火涂料时,待保护的钢构件与标准试验钢构件的规格尺寸差距较大,又不能对每种规格的钢构件都喷涂涂料作耐火试验时,可以根据已有试验数据用经验公式计算来确定涂层厚度。下述公式是由美国UL试验室提出,在技术交流中此“鹌梁的涂层厚度,扩大到可以计算钢柱的涂层厚度。
  计算公式如下:D1-待保护钢梁与涂层接触面周长(mm)D2-标准试验时钢梁与涂层接触面周长(mm)K-系数,对钢梁,K=1;对相应楼层钢柱的保护层厚度,取K=1.25 9mm,耐火时间t1h,一般用136b钢梁作标准耐火试验,则:W2/D2=65.66/1110=0.0592,其他规格I字钢梁防火涂层换算系数:a=对薄涂型涂料厚度的确定一般还是以耐火试验时涂层厚度为依据,并可适当留有余地,以增加安全系数。热乳工字钢,宜采用较大的型号,焊接H型钢在同种型号中宜采用腹板较厚的规格,对防火较为有利。
根据安全可靠、技术先进、经济合理的原则,在设计露天钢结构防火保护时,应以耐火性考虑,并优先选用可直接喷涂施工技术先进的厚涂型涂料。
        钢结构防火涂料的分类及防火原理根据国内外钢结构防火涂料的构成、性能特点、应用范围、可分成薄涂型(B型)和厚涂型(H型)两类防火涂料。
        薄涂型(B型)钢结构防火涂料薄涂型(B型)钢结构防火涂料又称为钢结构膨胀型防火涂料。涂层厚度一般为2定装饰效果,高温时膨胀增厚耐火隔热,耐火极限在0.5 ~1.5h,涂层的粘结力强,抗振动和挠曲性好,所以特别适用于体育馆、工业厂房裸露的有装饰要求的钢结构或轻型钢结构。
        薄涂型防火涂料由粘合剂、催化剂、发泡剂、碳化剂、填料及改性剂等组成。粘合剂使涂料各组分粘接在基材上,使涂料具有良好的理化性能。催化剂遇火分解出酸,使碳化剂脱水,碳化形成牢固碳骨架,发泡剂遇火分解出大量不燃气体,将碳架软体“吹塑”成蜂窝状的阻火泡沫层,并有稀释氧气的作用。填料则可提高涂料耐火性能,使涂料的常温理化性能达到要求,同时火灾条件下膨胀发泡层密实、避免发泡层被热流冲掉。改性剂是为有利于涂料的涂刷性、成膜性、耐候性、抗冻性、贮存稳定性的组分。由于涂层的碳质泡膜在1000T高温下,稳定性降低并逐渐碳化掉,国内外提供的耐火极限数据均未达到2h,涂层厚度不超过7mm.厚涂型(H类)钢结构防火涂料,又称钢结构隔热防火涂料。涂层厚度一般为8~50mm,导热率低,耐火极限可达0.5~3h.适用建筑物竣工后被隐蔽,或外观要求不高,耐火极限在1.5h以上的钢结构。
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        厚涂型钢结构防火涂料,一般由无机绝热骨料,无机胶结剂,防火添加剂,化学助剂及填料等混合配制而成。有蛭石水泥系、氧氯化镁水泥系、矿纤维水泥系等类。绝热骨料是涂料的主体,起隔热耐高温作用,常是轻质多孔材料,孔隙率越大,气孔直径愈小,骨料导热系数小,从而降低构件温度升高的速率,提高构件的耐火能力,胶结剂是涂料的重要组成部分,将各组分牢固地粘结在一起,形成具有一定强度的涂层,同时牢固粘结于基材,胶结剂大多采用水泥硅酸盐等,以水为分散介质。添加剂在高温下产生热分解并释放出不燃气体。从而降低环境温度。化学助剂则是在使涂层硬化后在涂层内部形成封闭气孔,提高绝热性能,同时改善施工条件。填料是为降低涂料成本而掺加的活性混合材料。
隔热防火涂料的防火作用是基于硅酸脱水吸热材料(添加剂)分解过程和隔热过程来实现的,硅酸盐类胶结剂水化后,水化物中含水量15%以上以结晶水形式存在于水化物中,当涂层暴露于火源时水化产物发生脱水、汽化作用,从而吸收大量热量,蒸发1kg水可吸收2.34MJ的热量,涂层中的吸热材料因受热而发生分解或相变过程。这些过程同样会消耗一定的能量,从而降低构件的升温速率提高构件的耐火能力。
        露天钢结构用隔热防火涂料,有的产品需在涂层表面增设防水防火面层,以保证防火耐久性,同时可改善涂层的装饰性能。
        防火涂料性能的检测不论哪类防火涂料,其产品都应通过国家技术技术交流监督局指定的国家防火建筑材料质量监督检验测试中心的检测(地址:四川省都江堰市)达到规定的技术性能指标的涂料才可选用。CECS24:90规范对防火涂料技术性能指标作了明确的规定。
        耐火极限:这是防火涂料根本的指标,是根据国家标准《建筑构件耐火试验方法》(GB9978-88)测定的。该标准等效采用国际标准IS0834-1975《建筑构件-耐火试验》。标准规定了试验的装置、试验条件、试件要求、试验程序、耐火极限判定条件和试验报告。
  耐火极限判定条件:承重构件是按是否失去承载能力或抗变形能力判定,梁以试验过程中,试件发生垮塌或试件的很大挠度超过L/20(L为试件跨度,单位cm)时,则表明试件达到耐火极限。柱以试验过程中试件发生垮塌或试件的轴向收缩引起的变形速度超过3xH(mm/min)(H为试件在炉内的受火高度,单位m)时,则表明试件达到耐火极限。当承重构件同时起分隔作用时,还应按失去完整性,或失去绝热性时为达到耐火极限。
        粘结强度:这是各类防火涂料在性能上的共同要求,粘结力差,涂层会随时间的推移而龟裂,脱落,失去防火保护作用。粘结强度的测试方法是参照《合成树脂乳液砂壁状建筑涂料》(6巳9153-88)6.12条粘结强度试验进行。
        耐水性:用以表明涂料在不同气候条件下使用具有一定的耐久耐候性能。其测试方法参照《漆膜耐水性测定法》(GB1733)甲法进行。即喷涂于试件(120x50x10的钢板)上的防火涂料放在60±5*C的烘箱内干燥到恒重,取出放人室温下的自来水浸泡,观察有关起层、脱落等现象的发生。
        耐冻融循环性能:同样表明涂料的耐久耐候性能。其测试方法参照《建筑涂料耐冻融循环性测定法》(GB9154-88)进行试件与耐水性试验相同。用于室内的钢结构防火涂料,将干燥后的试件放置在23*2*C的室内18h,取出置于-18~ -20T的低温箱内冷冻3h,再取出放置在50*2*C的烘箱内3h为一循环,如此往复记录数次,观察涂层开裂、起泡、剥落等异常现象。对于室外的钢结构防火涂料,应将试件放置在23*2t的室内18h,改为置于水温23*2t的水槽内浸泡18h,其余条件不变。因此,选用室外钢结构防火涂料要慎重。
        抗压强度、干密度、导热率:厚涂型钢结构防火涂料其涂层要求干密度小,同时导热率也低,耐火隔热性能就好。但是干密度太小,涂M强度降低易破损,因此规定了适宜的抗压强度、十密度和导热率性能指标。
        抗振、抗弯曲性:薄涂型钢结构防火涂料大多用于体育馆和工业厂房裸露钢结构上,钢构件截面积小,受到振动和挠曲变形的机会多,涂层易脱落和开裂。其试验方法是在研究开发防火涂料新品种中根据工程应用而建立起来的。
        钢结构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,一旦功能失去后就会导致材料腐蚀、屋面漏水,人们能在较短时间的发现并进行处理,而防火涂料其功能在火灾初期表现出来,如其防火功能丧失,涂层不起防火作用,其损失不可弥补。
        厚涂型防火涂料的防火耐久性,与其粘结剂的组成和用量,绝热骨料孔隙体积密切相关。薄涂型防火涂料的防火耐久性与粘结剂组成和用量、膨胀剂的类型和用量密切相关。一般来讲,厚涂型防火涂料的耐久性好于薄涂型防火涂料。
        目前,对防火涂料的耐久性问题,尚无明确的测试规范,故只能根据涂料的构成及涂层的老化性能数据进行评估或以在工程中使用的年限和变化情况作出推测制定。
钢结构防火涂料是一种功能性涂料,它是随石油化工工业发展而发展的一种工业产品,由于该产品在我国应用历史不长,因此,在钢结构设计中要慎重选择。选择钢结构防火涂料,首先,要分清防火涂料的适用范围,其次要根据钢结构的工作环境及其重要性区别对待,做到安全可靠,经济合理。
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