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钢结构防火设计和保护
发表时间:2018-08-30 00:00作者:包头彩钢库房


材高温时强度变化钢结构发生火灾,往往导致结构倒塌,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。

  其中,最典型的莫过于2001年9月11日美国纽约世界贸易大厦双塔遭恐怖分子飞机撞击,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坍塌,造成近4000人死亡和1000多亿美元的经济损失。种种迹象表明,钢结构防火的研宄、设计和运用己越来越受到重视。

  石油化工企业支承设备、管道的框架、支架、管架以及室内外结构大多为钢结构,由于其生产装置、设备、产品的特殊性和危险性,一旦发生火灾往往会引起泄漏、爆炸等连锁反应,危害极大。基于此,为减轻钢结构建筑在火灾中的损坏,石化企业钢结构的防火设计目的应该是避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难;避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡;减少火灾后结构的修复费用,缩短火灾后钢结构功能恢复周期,减少间接经济损失。总之,钢结构的防火设计和保护具有深远的现实意义和实用价值。

  1承重钢结构防火保护部位和耐火极限要求建筑物中承重钢结构需做防火保护,国家标准建筑设计防火规范XGB1687)(2001年修订版)中对建筑物的耐火等级、燃烧性能及相应的建筑物应达到的耐火极限的规定,见表1所示。

  国家标准石油化工企业设计防火规范(GB50160― 92)中,对承重结构需作耐火保护的规定,见表2表1建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限构件名称耐火等级、燃烧性能和耐火极限/h一级二级三级四级防火墙非燃烧体400非燃烧体4.00非燃烧体承重墙、楼梯非燃烧体难燃烧体间、电梯井墙支承多层的柱非燃烧体非燃烧体2.50难燃烧体支承单层的柱非燃烧体2.50非燃烧体2.00燃烧体梁非燃烧体难燃烧体楼板非燃烧体难燃烧体屋顶承重构件非燃烧体非燃烧体0.50燃烧体疏散楼梯非燃烧体非燃烧体1.00燃烧体2石化企业钢结构防火设计目标、一般要求和特点石油化工钢结构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。在火灾高温下,结构钢的强度和刚度都将迅速降低,而火灾升温迅速,故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此,石油化工钢结表3几种升表2耐火保护耐火单个容积>5m3的设备的承重钢框架、支架在爆炸危险区范围内的极限A介质为甲、介质温度自燃乙A类液体点可燃液体主管廊的钢管架承重钢框架:单层框架45m以下的梁柱;多层框架10m以下的梁柱。

  承重钢支架:全部梁柱。

  45m以下的柱,当最下层梁高超过45m时,保护至梁下300mm处,但不宜低于45m;上部有空冷器的管架的斜撑。

  构防火设计的一般要求是:如何定量确定防火保护措施,使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。

  但应引起注意的是,石油化工中的“火”与标准意义中的设计防火规范(GB50160―92)在标准耐火试验中采用的曲线为时间-温度标准曲线,它是以木质纤维为燃烧介质的,通常称为标准火。而石油化工中的火,它是以油、气为燃烧介质的火,通常称为烃类火。两者的升温曲线比较详见表3从表中可以看出,标准火升温较慢、温度较低、时间较长,而烃类火升温快、温度高、时间短。10min时烃类火大约为标准火温升的1. 48~1.52倍,90min时大约为标准火温升的1.17~1.22倍。因此,在石油化工钢结构防火设计中应针对烃类火火灾温升的特点,选择相应的防火保护材料,确定相应的耐火极限,对火灾早期的高温火进行防范。

  单位不同时间对应炉内温升/°c自然火烃类火美孚石油公司烃类火荷兰Delfte国家研究院烃类火英国Warrington研究中心3钢结构防火的设计方法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温升不超过其临界温度而确保耐火稳定性。

  3.1传统的钢结构防火设计方法以耐火试验法进行防火设计,其步骤为:根据建筑物的使用特性和火灾危险性大小,确定建筑物相应的耐火等级;根据耐火等级选择承重构件的耐火极限和燃烧性能;选定构件防火保护材料和构造方法,用标准耐火试验校准其耐火极限。

  其优点在于:方法简单,仅需选择保护材料和进行材料厚度选取或计算;适用性强,对柱、梁、楼板等钢构件同等适用。

  其缺陷表现在三个方面:首先,考虑因素不周,将构件从结构中弧立起来,未考虑结构的整体防火;其次,构件受火在结构中产生的温度应力和结构端部约束始终不能反映,而两者是影响构件耐火时间的重要因素;最后,构件实有耐火极限的确定不够合理,通过有限次因素不够全面的耐火试验,其结果同构件实际受火后的受力性能有一定的差异。

  因此,传统防火设计方法有时失之经济,有时又失之安全。

  3.2基于计算的现代钢结构防火设计方法即用计算的方法代替标准试验的方法,可以免除传统方法中所存在的问题,是钢结构防火设计发展的方向。目前计算方法有几种:用构件的临界温度Ts和当量升温时间Te来确定防火保护层厚度的Ts―Te耐火设计方法;直接按耐火等级选择构件的耐火极限t,求出构件临界温度Ts后,用t、Ts为控制条件求保护层厚度的Ts―t耐火设计方法。笔者推荐我国第一部钢结构防火设计标准上海市钢结构防火技术规程〉(报批稿)中采纳的设计方法,其计算过程如下:采用确定的防火措施,设定一定的防火被覆厚度。

  计算构件在确定的防火措施和耐火极限下的内部温度。

  采用确定高温下钢的材料参数,计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。

  钢结构防火涂料Gk永久荷载标准值;Qk楼面或屋面活载(不考虑屋面雪载)标准值;Wk风载标准值;at构件或结构的温度变化(考虑温度效应)Yg永久荷载分项系数,取1 Yqi楼面或屋面活载分项系数,取0. 7Yw风载分项系数,取0或0.3,选不利情况;Yf温度效应的分项系数,取10;Cg-CQi,永久荷载、楼面或屋面活载、风载和温度影Cw-Cf响的效应系数。

  根据构件和受载的类型,进行构件耐火承载力极限状态验算。

  当设定的防火被覆厚度不合适时(过大或过小)可调整防火被覆厚度,重复上述(1)~(5)步骤。

  基于计算的防火设计方法,优点是:考虑了多个影响因素,从构件的实际工作条件出发,进行耐火设计,从而与实际情况更接近;用保护材料的热物理参数测定法取代了构件的耐火试验,使试验工作简化并大大降低了费用。

  缺陷是:目前计算方法尚未统一;计算较为复杂,各计算方法之间计算结果差异较大。

  4钢结构防火保护方法―88)规定,当结构表面长期受辐射热达150C以上或在短期内可能受到火焰作用时,应采取有效防护措施,以保证结构在使用期内安全可靠。

  4.1截流法和疏导法目前,在石油化工企业中,对钢结构可以采用多种方法进行保护,这些方法从原理上可分为两种:截流法和疏导法。


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