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钢结构柱与墙体围护-防火一体化可行性初步探究

2021-04-13 09:49:31 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

对目前钢结构建筑常用的围护墙体材料的高温稳定性、热工特性、变形适应性等性能进行调研、分析,初步筛选出有一定防火性能的围护材料和构造形式后,以蒸压轻质加气混凝土(ALC)板、石膏岩棉组合墙体、砌体为例,利用有限元软件ABAQUS进行传热分析的数值计算,得到火灾下受围护体系包裹的H形钢柱的温度分布情况。并对墙体的厚度、热工性能和构造形式等进行相关的参数分析,结合规范评估将围护构件兼作钢结构防火保护的可行性。结果表明,当采用合适的厚度和构造方式时,3种围护构造均能达到钢结构防火保护的要求,这也初步验证了围护墙体与钢结构柱防火一体化的可行性,为围护与防火一体化技术的设计及构造提供了参考。


钢结构建筑的围护体系包括楼板、屋面、墙体、门窗等,其中墙体占了整个建筑的大约70%[1]。围护体系主要有砌体+保温层复合型围护材料和复合板材围护材料两大类型[2],通常都是采用不燃材料制作[3],具有一定的防火性能[4]。多数情况下,钢结构的很多构件全部或者部分被这些围护构件包裹着,火灾时,这些围护构件将钢构件与周围热烟气隔离开来,对钢构件起到了防火保护的作用。但目前工程中完全不考虑围护构件对建筑防火保护做出的贡献,而只是完全依赖于钢结构防火涂料,因此如果能采取围护-防火一体化技术,就可以减少甚至免去防火涂料的使用。


1 围护-防火一体化的意义

1.1 我国钢结构防火保护技术应用概况

钢结构防火涂料于20世纪60年代末发明于国外并被推广使用,但由于其进口价格昂贵,在我国使用并不多,国内主要还是通过砌体、混凝土或耐火板材包覆进行防火保护[5]。但采用这种方式需要相当厚的保护层,不仅增加了构件重量,而且由于钢结构几何形状复杂多变的特点,也不易于施工。国产防火涂料在1985年研制成功,由于价格适宜,施工方便,采用喷涂方式进行结构防火保护才逐渐成为较常用的做法[6]

我国在21世纪初出台的相关规范[7]和图集[8]提供了采用防火板或ALC板进行防火保护的相应构造(图1、图2)。对于此类防火构造,国内学者也进行了相关的耐火试验,但其并没有得到广泛应用。原因在于当时我国钢结构多用于大跨结构、工业厂房等,其钢构件并没有相应的围护结构包覆,且当时的钢材价格较高,板材进行防火保护时自重大,不适应复杂几何形状的缺点更加突出,从而导致其应用受限。

1.2 围护-防火一体化的优势及可行性

近年来随着经济的发展,钢结构建筑在我国逐步推广应用,这带来了两个方面的变化:1)装配式、标准化的要求不断提高,几何形状复杂的问题将不复存在;2)住宅和办公建筑中需要使用大量的围护结构,而且钢材价格下降,人工成本提高,又由于施工周期压力需要减少湿作业(包括喷涂防火涂料),而围护体系兼作防火保护可以抵消其自重大的劣势,干作业又可以降低人工成本,加快进度。

此外,随着性能化设计的推广,工程师可以通过对结构的局部或整体预测火荷载,进行模拟计算后得到结构在火灾下的温度场分布,从而更精确地计算防火保护的需求,也可以减少部分或全部的被动防火要求[9],从而使得采用围护体系兼作防火保护的做法更易实现。

在国外也有采用双层砌体墙兼作防火保护的做法(图3),并通过相关研究验证了其可行性[10],还有相关学者研究了蛭石板、石膏板、岩棉等材料的防火性能[11]。这说明围护体系兼作防火保护在国外是有先例可循的,但在国内由于常用的围护材料、围护体系不同,规范要求不同,因而还需要进行相关的研究。

1.3 利用有限元方法研究防火性能

综上所述,推动围护-防火一体化具有重要意义,但缺乏相关研究,尚需要探究围护-防火一体化的可行性。由于抗火试验费时费力、成本高,而有限元方法则不需要耗费过多的时间和成本,国外也有一些学者运用有限元方法对海洋工程中钢结构的防火保护性能进行了研究,并验证了其可靠性[12]。因此采用有限元方法对围护-防火一体化进行初步探究是一种经济又可靠的办法。

国内有学者对火灾下带墙(楼)板的钢结构的升温情况进行了研究[13-15],但仅探讨了围护体系对有防火涂料或防火板保护的钢结构的升温影响,未考虑和研究在不采用防火涂料或防火板保护的情况下,将围护体系兼作防火保护的可行性。

因此本文综合考虑围护材料的高温稳定性、热工特性、变形适应性等性能后,初步筛选了3种围护形式,并利用有限元软件ABAQUS进行传热分析的数值计算,得到火灾下受围护体系包裹的H形钢柱的温度分布情况,结合规范要求,从钢构件升温方面来评估将围护构件兼作钢结构防火保护的可行性。