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鋼結(jié)構(gòu)建筑燃燒中的行為特點(diǎn)
2020-06-22 10:04 鋼結(jié)構(gòu)建筑 華邦建設(shè)
建筑用鋼在全負(fù)荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的力學(xué)性能隨溫度的不同而變化，當(dāng)溫度升高時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的總趨勢(shì)是下降的,但在150℃以下時(shí),變化不大。當(dāng)溫度在250℃左右時(shí),鋼材抗拉強(qiáng)度反而有較大提高,但這時(shí)的相應(yīng)率較低、沖擊韌性變差,鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時(shí)常呈脆性破壞特征,稱為“藍(lán)脆”。如在“藍(lán)脆”溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鋼材的機(jī)械加工,則易產(chǎn)生裂紋,故應(yīng)力求避免。當(dāng)溫度超過(guò)300℃時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量開始顯著下降，而伸長(zhǎng)率開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變;當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí),強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低;到500℃左右，其強(qiáng)度下降到40%—50%，鋼材的力學(xué)性能，諸如，屈服點(diǎn)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于鋼結(jié)構(gòu)建筑所要求的屈服強(qiáng)度。中國(guó)在20世紀(jì)90年代初對(duì)裸露鋼梁的耐火極限進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了I36b、I40b標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min。因此，若用沒有防火保護(hù)的普通建筑用鋼作為建筑承載的主體，一旦發(fā)生火災(zāi)，則鋼結(jié)構(gòu)建筑會(huì)迅速坍塌，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的損失。
使用等效均勻溫度分布方法的截面，在一定間隔時(shí)間內(nèi)，無(wú)隔火護(hù)層鋼構(gòu)件的上升溫度可以按下圖公式計(jì)算：
當(dāng)無(wú)保護(hù)層鋼構(gòu)件的截面系數(shù)取150，經(jīng)過(guò)10min鋼構(gòu)件表面溫升就達(dá)到了416℃,經(jīng)過(guò)15min溫升則達(dá)到609℃，由此可見，在火災(zāi)條件下，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)很快達(dá)到其耐火極限。
現(xiàn)代建筑物的主要承重構(gòu)件大都依賴于堅(jiān)固又輕便的鋼材，這些鋼材賦予建筑物以寬闊、輕盈、而又不失穩(wěn)固的建筑風(fēng)格。鋼結(jié)構(gòu)在火的作用下是不會(huì)燃燒的，但是鋼材在高溫火焰的直接灼燒下，強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的上升而下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)極限臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)顯著地降低強(qiáng)度而失去承載力。這一臨界點(diǎn)溫度約為550℃，大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)把它定在538℃。因此，在防火保護(hù)中，需要幾個(gè)小時(shí)的保護(hù)都是要求低于538℃的保護(hù)。
普通低碳鋼當(dāng)溫度在350℃以下時(shí)，由于藍(lán)脆現(xiàn)象，極限強(qiáng)度比常溫下會(huì)有所提高，但是，當(dāng)超過(guò)350℃時(shí)，強(qiáng)度就會(huì)降低。當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，強(qiáng)度降低約50%，600℃時(shí)強(qiáng)度降低約70%
鋼材的屈服點(diǎn)也會(huì)隨著溫度的上升而下降，在500℃時(shí)降到常溫時(shí)的50%左右。鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生塑性變形而受到破壞。從高溫作用來(lái)看，鋼材在15—20min后即急劇軟化，這時(shí)整個(gè)建筑物會(huì)失去穩(wěn)定面導(dǎo)致崩潰。實(shí)際上，由于各種因素的作用，有些鋼結(jié)構(gòu)在烈火中一般只有10min支撐能力，隨即變形塌落。
高溫下鋼材的伸長(zhǎng)率和截面收縮率隨著溫度升高會(huì)增大，即鋼材塑性性能增大，這就使鋼材會(huì)產(chǎn)生變形。鋼材在溫度和應(yīng)力的相互作用下，就會(huì)發(fā)生蠕變，通常低碳鋼在300—350℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。合金鋼產(chǎn)生蠕變的溫度在400—450℃。
鋼材的熱導(dǎo)率在常溫下為58W/(m.℃)，隨著溫度上升，熱導(dǎo)率會(huì)減小。與木材比較，木材的熱導(dǎo)率是鋼材的1/350，木材燃燒時(shí)表面形成炭化層比木材熱導(dǎo)率還要低。因此，大斷面的木結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)更加耐燒。鋼材的熱導(dǎo)率高，在大火中，熱量會(huì)在鋼材內(nèi)部迅速傳遞，由火焰直燒處很快地影響到臨近的低溫部分。
鋼結(jié)構(gòu)建筑受到大火的作用，很快就會(huì)變形坍塌，根本沒有滅火的時(shí)間，最多只能撲滅余火。
火災(zāi)后的鋼結(jié)構(gòu)失去強(qiáng)度，變形成為麻火狀，已經(jīng)沒有使用價(jià)值，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑一旦損壞也就無(wú)法修復(fù)。
只有15min耐火極限的鋼結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的防火規(guī)范要求，會(huì)很快失去其承載能力。一旦發(fā)生這種情況，將對(duì)整個(gè)建筑物造成災(zāi)難性的后果。正因?yàn)槿绱?，?duì)鋼結(jié)構(gòu)采取有效的保護(hù)，使其避免受高溫火焰的直接灼燒。從而延緩其坍塌時(shí)間，為消防救火提供寶貴的時(shí)間就顯得十分重要。
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