耐火耐候钢的研究与应用现状

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耐火时间
马钢的耐火钢成分设计以低碳为原则， 首先对 4<=4;>?@ 合 金系钢、 含 4; 钢、 低 4;>?@>AB 合金系钢、 4;=?@=9: 合金系 钢开展研究， 同时结合马钢资源特点， 还开展了 4;=C=AB 合 金系钢、 4;=9:=C=AB 合 金 系 钢 以 及 ?@=C=AB=DE 微 合 金 化 钢的探索性研究， 并最终确定了耐火钢的成分。7/5’ 级耐火 钢的性能详见表 & 。
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耐火耐候钢的研究目的和生产机理
钢的耐火耐候性能是指钢材的耐高温、 耐恶劣天气、 耐腐
蚀强度。 钢材在自然气候下受蚀减薄， 时 ’ 年可达 $(")" **， 间长或在特殊及人为的恶劣环境下， 减薄程度更为严重。如在 我国南方， "+$ ** 厚公 交 车 板 在 涂 装 的 情 况 下 有 的 部 位 半 年内就可被腐蚀穿透。采用涂装可以减缓腐蚀， 但费用较高， 如桥梁 "$ 年的涂装费可为钢材的 &,’ 倍。再如， 为了防止钢 结构在火灾时强度下降，钢结构必须喷涂或包覆保护层， 一 次费用即可能超过钢价， 有的厚达 -’ **， 更为昂贵。且增加 工时， 减少可利用空间， 造成污染。高性能耐火耐候钢是各先 进国家竞相开发的一种有广泛用途的特殊钢材， 在高层、 超高 层大跨度、 轻钢轻板建筑的防火、 抗震、 抗腐蚀等方面， 均能表 现出良好的性能。在国外已大量采用耐火耐候钢， 效果很好。 如日本新日铁第二办公楼 （钢结构大楼） ， 按传统设计柱梁防 火层厚达 ’$ **， 使用耐火耐候钢后， 防火层减至 "’ **， 不 部分露出室外的柱梁则取消了保护层， 而一些 到原来的 " . /， 大型车停车库和体育场等完全不使用防护层。
关键词： 钢结构防火； 耐火耐候钢； 截流法； 疏导法 中图分类号： AB./5 文献标识码： C 文章编号： （&**, ） /**/@2*&D *#@**’&@*5
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言
或保护不力， 在火灾中可能失去承载能力而引起整个建筑的 倒塌， 带来重大人员伤亡和经济损失， 国内外钢结构遭受 火 灾倒塌的例子不胜枚举。面对火灾的威胁， 国内外在发展钢 结构建筑物的同时，重视钢结构防火防护技术的 开 发 与 应 用， 不断研究完善火灾对策， 制定相关消防法规。
法把热量导走或消耗掉 8 从而使构件温度不至于高到临界温 度8以起到保护作用。 疏导法目前仅有充水冷却保护法。 该方法 是在空心封闭的钢构件中充满水8火灾时构件把从火场中吸收 的热量传给水 8 依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量带
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新型建筑材料
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近年来， 随着钢产量的稳步增长和全球应用技术研究的 深入， 钢结构在建筑行业得到了越来越广泛的应用， 尤其在 超高层及大跨度建筑等方面更显示出其强大的生命力 。
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改革开放以来 % 随着我国炼钢技术与钢产量的大幅度提 高， 以及国际间技术交流与合作的加强， 钢结构应用技术在 我国得到蓬勃发展。北京亚运会的大跨度体育馆， 世界排名 第 & 的 跨 度 ’(& ) 的 上 海 杨 浦 大 桥 等 均 为 钢 结 构 的 佳 作 。
但随着钢结构建筑的发展， 随之而来的是防火防护问题 日趋突出。钢材虽为非燃烧性材料， 但不耐火， 其耐火极限仅 为 #. )34。在火灾时的温度作用下， 钢结构的强度是温度的 函数。当结构的温度达到 5.! 、 其强度分别下 .!!、 ’!! 6 时， 降 / 7 5、 当 结 构 温 度 达 到 ’** 6 以 上 时 ， 将完全丧 # 7 &、 & 7 5， 失承载能力。图 # 为钢材高温时的强度变化曲线 。
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截流法 截流法的原理是截断或阻滞火灾产生 的 热 流 量 向 构 件
的传输，从而使构件在规定的时间内温升不超过 其 临 界 温 度， 具体做法是在构件表面设置 / 层保护材料， 火灾产生 的 高温首先传给这些保护材料， 再由保护材料传给构件， 由于 所选材料的导热系数较小， 而热容又较大， 所以能很好地 阻 滞热流向构件的传输， 从而起到保护构件的作用。截流法又 分为包封法、 屏蔽法、 水喷淋法、 喷涂法等。在上述的几种方 法中， 喷涂法施工简单、 质量轻、 耐火时间长， 而且不受钢结 构几何形状的制约， 具有良好的经济性和实用性。目前， 防火 涂料是钢结构防火保护中比较常用的方法。 我国在 /99* 年和 /99, 年分别颁布了 《钢结构防火涂料 应用技术规范》 （:;:< &,=9!） 和 《钢结构防火 涂 料 通 用 技 术 条件》 （>? /,9*2@9, ） & 本规范； &!!& 年又进行修订，颁布了
建筑门窗与金属建材
走!构件温度便可控制在 "#$ %左右。从理论上讲!这是钢结构 保护最有效的方法!冷却水可由高位水箱或供水管网或消防车 来补充， 蒸汽由专设的排气口排出。 缺点是增加了结构自重!为 防止锈蚀或水的结冰， 还需在水中掺加阻锈剂和防冻液等。
所要求的屈服强度， 也就是低于建筑结构的承载许用应力。 所 以，若用没有防火涂层的普通建筑用钢作为建筑物承载的主 体， 一旦发生火灾， 则建筑物会迅速坍塌。而耐火钢因通过合 金化处理能够在高温下 （通常指在 -$$ % 下） 的一定时间内 （通常指 ")/ 8 ） 保持较高的强度， 从而增加建筑物抵抗火灾 的能力， 提高建筑物的安全性。耐火钢的合金元素含量显然 比普通建筑用低合金结构钢的合金元素含量稍高一些。 耐火钢也不同于普通的耐热钢，耐热钢对钢的高温性能， 如高温持久强度、 蠕变强度、 疲劳性能等有严格要求； 而耐火钢 在性能上不需要长时间的高温强度， 只要在 -$$ %左右的高温 下保持 ")/ 8 后其屈服强度值不低于室温时的 & . / ，以保证 结构的安全性， 保证人员、 重要物资等在结构坍塌前能安全地 撤离火灾现场即可。因此， 耐火钢的合金元素含量要比相同强 度级别、 能在 -$$ %下使用的耐热钢的合金元素含量低得多。 耐火钢的关键性能是要求高温强度。根据高合金耐热钢 的研究结果可知， 9:、 4; 可提高钢的耐热性，但他们是贵重 元素，钢中添加大量的这类元素将大幅度增加生产成本， 这 对量大而广的结构材料是不可行的。另外， 9:、 4; 等合金元 素增加钢的淬透性， 提高碳当量， 对焊接性不利。因此， 建筑 用耐火钢只能少量应用这类贵重合金元素。
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7/5’ 级耐火钢的性能
（ ! G -$$% ） 冲击功
普通钢结构和耐火耐候钢结构防护成本对比
防火涂料厚度 . ** 普通钢 耐火耐候钢 不用 防火涂料费用 （ . 元 . *& 钢表面） 普通钢 耐火耐候钢
室温拉伸性能
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"P$Q 冷弯
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室温力学性能及其它质量指标满足普通 建 筑 用 钢 标 准
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的要求。 抗震性： 室温 !! " !#$%&’ 。 焊接性： 良好， 等同或优于普通建筑用钢。 （( ） 宝钢集团公司经过科技攻关， 研制、 开发成功的新型 钢结构用优质经济钢材—— —耐火耐候钢， 填补了国内的一项 空白。新开发的耐火耐候钢采用合适的技术， 使钢含有特定 的成分、 表面结构和微观组织， 从而使钢本身具有所需要的 耐候性和耐火性。其耐候性与美国 )*+,-./ 钢相当， 为普通钢 的 01’ 倍， 在一般气候条件下可裸露使用， 并可提高涂装性 几倍到几十倍， 涂在耐候钢上的涂层的失效年限远长于普通 钢； 耐 火 性 与 日 本 23 钢 相 当 ， 可 使 4%% 5 时 屈 服 强 度 下 降 不大于 6 7 8 ，这是火灾时保证建筑安全性的一个必要的许用 指标，特别是 (%%6 年宝钢生产的 9%%% 余 - 耐火耐候钢成功 用于上海市第 6 个全钢结构高层住宅楼群中福工程， 这是国 内首次大批量生产和使用耐火耐候钢。 （8 ） 武钢是 (%%6 年 ’ 月开始研制这一钢种的。应国内有 关领域对高性能建筑用钢的迫切需求， 武钢聚集了几十位特 殊力学性能研究、 金相组织研究、 耐火性能研究、 焊接性能研 究等方面的专家， 突击攻关， 在很短的时间内便研发成功耐 火耐候钢。检验结果表明， 这种钢抗大气腐蚀性能为普通钢 材的 (:’ 倍。在 4%% ; 下的屈服强度不低于室温下的 0 7 8 ， 两院院 <%’% ; 条件下可保持 0&9 = 不屈服。 0%%< 年 <% 月， 士、 国家自然科学基金委员会主任师昌绪等共 << 位专家， 对 这一钢种进行了鉴定。鉴定认为： 该钢种集高耐火性、 高耐候 性、 高 > 向性能和能承受大线能量焊接于一体， 填补了国内 空白， 其技术性能指标达到国际领先水平。目前， 武钢已为中 国残疾人体育艺术培训基地提供这种钢材 (%% 多 - 。 攀钢钢研院试验生产出了具有自主知识产权的建筑 （? ） 用高强热轧耐火耐候钢新钢种。高强热轧耐火耐候钢既具有 低屈强比、 抗层状撕裂和良好的焊接性等性能特点， 又具有 耐火性、 耐候性等功能特点， 在 4%% ; 高温时的屈服强度不 低于室温中屈服强度的 ( 7 8 ， 可以少用或不用防火涂层， 能保 证高楼大厦在烈火中较长时间地矗立。在广泛调研国内外有 关生产技术的基础上， 攀钢钢研院围绕关键技术， 即提高钢 的耐火性能， 打破常规， 创新性的设计并优选出高强度的耐 火耐候钢和经济性的耐火耐候钢 ( 个新钢种。 在 4%% ; 的条 件下， 这 ( 种试验钢仍能保证建筑物的安全。 （9 ） 国内的其它许多钢铁生产厂家如鞍钢 、 包钢等也进 行了这方面的大量研究， 并取得了显著的成果。 积极开发研制新一代高性能的建筑耐火耐候钢， 对于满 足市场需求和培育我国钢铁工业新的经济增长点具 有 十 分 重要的意义。 ・ 4? ・
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耐火耐候钢的生产机理 耐火钢不同于普通的建筑用低合金结构钢， 普通的建筑
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目前国内外钢结构的主要防火方法
世界各国对钢结构采用了多种方法进行保护Fra Baidu bibliotek8 这些方法
从原理上讲可划分为 & 大类 % 即截流法和疏导法 "5$。
&*** 年我国钢材的消费量已达 #+,# 亿 -，估计到 &**. 年我 国钢材的表观消费量将达 /+’ 亿 0#12 亿 -，而到 &*#* 年， 我 国钢材的消费量可能接近 & 亿 - 左右。
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耐火耐候钢的研究与应用现状
张威振， 徐志胜
（中南大学防灾科学与安全技术研究所， 湖南 长沙
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介绍在高温环境中钢材的强度变化， 简述国内外采用截流、 疏导 & 种传统方法对钢结构防火 的 具 体 做 !!!! 摘要： 法。 综述了国内外耐火耐候钢的发展与应用及耐火钢与普通钢结构防护的成本对比， 并根据钢结构防火要求， 讨论 了发展耐火耐候钢在钢结建筑中应用与发展前景和我国耐火耐候钢的研究应用现状。
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钢材高温时强度变化曲线
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疏导法 与截流法不同 8 疏导法允许热流量传到钢构件上 8 然后设
采用钢材制作的构件， 如梁、 柱、 屋架等， 若不加以保护
收稿日期： &**5@*9@&. 作者简介： 张 威 振 8男 ， 硕士研究生， 主要 #929 年 生 8 山 东 省 安 丘 市 人 ， 研究方向为钢结构的防火保护方法及措施。地址： 湖南长沙中南大学 铁道校区， 电话： #5#E2*5’5.’ 。
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耐火耐候钢在国内外的发展现状
国内现状 （" ） 根据钢的合金化原理， 借鉴国外耐火钢的成分设计，
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耐火耐候钢的研究目的 国际上钢结构的防火工艺设计正在受到 人 们 的 广 泛 重
视， 它已成为保证建筑安全的必要措施之一， 世界各国建筑 规范都有相应的防火要求。为了提高普通建筑钢结构抵抗火 灾的能力， 必须采取相应的防护措施， 但传统的喷涂、 防火 板、 混凝土等防火保护措施费工、 费时， 还增加建筑结构的质 量， 减少使用面积， 延长工期， 提高了建造成本。研制和应用 耐火钢正是为了减薄或取消耐火涂层， 普通钢结构和耐火耐 候钢结构的防护成本对照见表 "。
马钢建筑用耐火 F 型钢的性能指标如下： （ 即! （ 耐火性能： ! !& . /!G 室温， !&"J G -$$ H ） G -$$ I ）
用 低 合 金 钢 如 日 本 012 3/"#- 标 准 中 的 245##、 2456$、 24 （我国的 7&/’、 等在温度达到 ’$$)-$$ % 时， ’&$ 钢 7/5’ 钢） 强度陡降， 其屈服强度降至室温时的 & . / 以下， 低于建筑结构