鋼結構建筑燃燒中的行為特點
2020-06-22 10:04 鋼結構建筑 華邦建設
建筑用鋼在全負荷的情況下失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的力學性能隨溫度的不同而變化，當溫度升高時,鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量的總趨勢是下降的,但在150℃以下時,變化不大。當溫度在250℃左右時,鋼材抗拉強度反而有較大提高,但這時的相應率較低、沖擊韌性變差,鋼材在此溫度范圍內破壞時常呈脆性破壞特征,稱為“藍脆”。如在“藍脆”溫度范圍內進行鋼材的機械加工,則易產生裂紋,故應力求避免。當溫度超過300℃時,鋼材的屈服強度、抗拉強度和彈性模量開始顯著下降，而伸長率開始顯著增大，鋼材產生徐變;當溫度超過400℃時,強度和彈性模量都急劇降低;到500℃左右，其強度下降到40%—50%，鋼材的力學性能，諸如，屈服點、抗壓強度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于鋼結構建筑所要求的屈服強度。中國在20世紀90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進行了驗證，確認了I36b、I40b標準工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min。因此，若用沒有防火保護的普通建筑用鋼作為建筑承載的主體，一旦發生火災，則鋼結構建筑會迅速坍塌，對人民的生命和財產安全造成嚴重的損失。
使用等效均勻溫度分布方法的截面，在一定間隔時間內，無隔火護層鋼構件的上升溫度可以按下圖公式計算：
當無保護層鋼構件的截面系數取150，經過10min鋼構件表面溫升就達到了416℃,經過15min溫升則達到609℃，由此可見，在火災條件下，鋼結構會很快達到其耐火極限。
現代建筑物的主要承重構件大都依賴于堅固又輕便的鋼材，這些鋼材賦予建筑物以寬闊、輕盈、而又不失穩固的建筑風格。鋼結構在火的作用下是不會燃燒的，但是鋼材在高溫火焰的直接灼燒下，強度會隨著溫度的上升而下降，當到達一個極限臨界點時，就會顯著地降低強度而失去承載力。這一臨界點溫度約為550℃，大多數的標準把它定在538℃。因此，在防火保護中，需要幾個小時的保護都是要求低于538℃的保護。
普通低碳鋼當溫度在350℃以下時，由于藍脆現象，極限強度比常溫下會有所提高，但是，當超過350℃時，強度就會降低。當溫度達到500℃時，強度降低約50%，600℃時強度降低約70%
鋼材的屈服點也會隨著溫度的上升而下降，在500℃時降到常溫時的50%左右。鋼結構就會發生塑性變形而受到破壞。從高溫作用來看，鋼材在15—20min后即急劇軟化，這時整個建筑物會失去穩定面導致崩潰。實際上，由于各種因素的作用，有些鋼結構在烈火中一般只有10min支撐能力，隨即變形塌落。
高溫下鋼材的伸長率和截面收縮率隨著溫度升高會增大，即鋼材塑性性能增大，這就使鋼材會產生變形。鋼材在溫度和應力的相互作用下，就會發生蠕變，通常低碳鋼在300—350℃時就會產生蠕變現象。合金鋼產生蠕變的溫度在400—450℃。
鋼材的熱導率在常溫下為58W/(m.℃)，隨著溫度上升，熱導率會減小。與木材比較，木材的熱導率是鋼材的1/350，木材燃燒時表面形成炭化層比木材熱導率還要低。因此，大斷面的木結構比鋼結構更加耐燒。鋼材的熱導率高，在大火中，熱量會在鋼材內部迅速傳遞，由火焰直燒處很快地影響到臨近的低溫部分。
鋼結構建筑受到大火的作用，很快就會變形坍塌，根本沒有滅火的時間，多只能撲滅余火。
火災后的鋼結構失去強度，變形成為麻火狀，已經沒有使用價值，因此鋼結構建筑一旦損壞也就無法修復。
只有15min耐火極限的鋼結構，遠遠達不到國家規定的防火規范要求，會很快失去其承載能力。一旦發生這種情況，將對整個建筑物造成災難性的后果。正因為如此，對鋼結構采取有效的保護，使其避免受高溫火焰的直接灼燒。從而延緩其坍塌時間，為消防救火提供寶貴的時間就顯得十分重要。
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