第9章钢结构火灾事故Word文件下载.docx
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破坏情况
1
重庆天原化工厂
钢屋架
1960.2.18
20min倒塌
2
上海文化广场
1969.12
倒塌
3
天津市体育馆
1973.5.5
19min倒塌
4
长春卷烟厂
钢木屋架
1981.4.5
5
北京友谊宾馆剧场
1983.12
6
唐山市棉纺织厂
钢梁
1986.2.8
7
北京高压气瓶厂
1986.4.8
8
江油电厂俱乐部
1987.4.21
9.2钢结构在火灾中的失效分析
钢材的力学性能对温度变化很敏感。
由图9.1可见，当温度升高时，钢材的屈服强度fy、抗拉强度fu和弹性模量E的总趋势是降低的，但在200℃以下时变化不大。
当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度fu反而有较大提高，而塑性和冲击韧性下降，此现象称为“兰脆现象”。
当温度超过300℃时，钢材的fy、fu和E开始显著下降，而δ显著增大，钢材产生徐变；
当温度超过400℃时，强度和弹性模量都急剧降低；
达600℃时，fy、fu和E均接近于零，其承载力几乎完全丧失。
因此，我们说钢材耐热不耐火。
图9.1温度对钢材力学性能的影响
当发生火灾后，热空气向构件传热主要是辐射、对流，而钢构件内部传热是热传导。
随着温度的不断升高，钢材的热物理特性和力学性能发生变化，钢结构的承载能力下降。
火灾下钢结构的最终失效是由于构件屈服或屈曲造成的。
钢结构在火灾中失效受到各种因素的影响，例如钢材的种类、规格、荷载水平、温度高低、升温速率、高温蠕变等。
对于已建成的承重结构来说，火灾时钢结构的损伤程度还取决于室内温度和火灾持续时间，而火灾温度和作用时间又与此时室内可燃性材料的种类及数量、可燃性材料燃烧的特性、室内的通风情况、墙体及吊顶等的传热特性以及当时气候情况（季节、风的强度、风向等）等因素有关。
火灾一般属意外性的突发事件，一旦发生，现场较为混乱，扑救时间的长短也直接影响到钢结构的破坏程度。
9.3钢结构的防火方法
钢结构由于耐火性能差，因此为了确保钢结构达到规定的耐火极限要求，必须采取防火保护措施。
通常不加保护的钢构件的耐火极限仅为10～20分钟。
9.3.1钢构件的耐火极限的确定
1．耐火极限的概念
就钢结构整体的耐火极限而言，定义为：
“建筑确定的区域发生火灾，受火灾影响的有关结构构件在标准升温条件下，使整体结构失去稳定性所用的时间，以小时（h）计。
”
钢构件的耐火极限定义为：
钢构件受标准升温火灾条件下，失去稳定性、完整性或绝热性所用的时间，一般以小时（h）计。
失去稳定性是指结构构件在火灾中丧失承载能力，或达到不适宜继续承载的变形。
对于梁和板，不适于继续承载的变形定义为最大挠度超过L/20，其中L为试件的计算跨度。
对于柱，不适于继续承载的变形可定义为柱的轴向压缩变形，速度超过3h（mm/min），其中h为柱的受火高度，单位mm计。
失去完整性是指分隔构件（如楼板、门窗、隔墙等）一面受火时，构件出现穿透裂缝或穿火孔隙，使火焰能穿过构件，造成背火面可燃物起火燃烧。
失去绝热性是指分隔构件一面受火时，背火面温度达到220℃，可造成背火面可燃物（如纸张、纺织品等）起火燃烧。
当进行结构抗火设计时，可将结构构件分为两类，一类为兼作分隔构件的结构构件（如承重墙、楼板），这类构件的耐火极限应由构件失去稳定性或失去完整性或失去绝热性三个条件之一的最小时间确定；
另一类为纯结构构件（如梁、柱、屋架等），该类构件的耐火极限则由失去稳定性单一条件确定。
2．耐火极限的确定
钢结构整体的耐火极限可按该建筑中所有构件的耐火极限的最大值确定。
当确定钢结构构件的耐火极限时，应着重考虑以下因素：
（1）建筑的耐火等级
建筑的耐火等级是建筑防火性能的综合评价或要求。
目前我国《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）将建筑物耐火等级分为一、二、三、四级。
显然建筑耐火等级越高，构件的耐火极限要求应越高。
（2）构件的重要性
越重要的构件，耐火极限要求应越高。
通常来讲，梁比楼板重要，而柱比梁更重要。
（3）构件在建筑物中的部位
例如，高层建筑的下部构件比上部构件更为重要。
目前我国结构构件耐火极限的确定仅考虑
（1）、
（2）两个因素。
见表9.2。
耐火极限的划分是以楼板为基准的。
耐火等级为一级的楼板的耐火极限定为1.5h，二级为1.0h，三级为0.5h，四级为0.25h。
确定梁的耐火极限时，考虑梁比楼板耐火极限相应提高，一般提高0.5h。
而柱和承重墙比楼板重要，则将它们的耐火极限在梁的基础上进一步提高。
建筑结构构件的燃烧性能和耐火极限表9.2
耐火等级、燃烧性能和耐火极限（h）构件名称
一级
二级
三级
四级
墙
防火墙
非燃烧体4.00
承重墙、楼梯间、电梯井墙
非燃烧体3.00
非燃烧体2.50
难燃烧体0.50
柱
支承多
层的柱
难燃烧体0.50
支承单
非燃烧体2.00
燃烧体1.00
梁
非燃烧体1.50
非燃烧体1.00
楼板
非燃烧体0.50
难燃烧体0.25
屋顶承重构件
燃烧体
疏散楼梯
在此说明表9.2中非燃烧体、难燃烧体和燃烧体的定义：
（1）非燃烧体。
指受到火烧或高温作用时不起火、不燃烧、不炭化的材料。
例如，钢材、砼、砖、石等。
（2）难燃烧体。
指在空气中受到火烧或高温作用时难起火，当火源搬走后，燃烧立即停止的材料。
例如，经阻燃、难燃处理后的木材、塑料等。
（3）燃烧体。
指在明火和高温下起火，在火源搬走后能继续燃烧的材料。
例如，天然木材、竹子等。
9.3.2钢结构的防火方法
钢结构的防火方法多种多样，通常按照构造形式概括为以下三种。
（1）紧贴包裹法（图9.2a）
一般采用防火涂料，紧贴钢结构的外露表面，将钢构件包裹起来。
（2）空心包裹法（图9.2b）
一般采用防火板、石膏板、蛭石板、硅酸盖板、珍珠岩板将钢构件包裹起来。
（3）实心包裹法图（9.2c）
（a）紧贴包裹法（b）空心包裹法（c）实心包裹法图
图9.2钢构件的防火方法
一般采用砼，将钢结构浇注在其中。
就目前应用情况来分，钢结构防火方法的选择是以构件的耐火极限要求为依据，并且防火涂料是最为流行的做法，下一节做详细阐述。
9.4钢结构防火涂料的相关知识
防火涂料在我国众多的涂料品种中属于特种涂料的范畴。
该种涂料在工程中主要用来阻止火焰传播、保护承载构件和减少火灾损失，是建筑防火的重要材料。
它主要有以下两个作用：
当涂覆于可燃基材上时，除起到与普通装饰涂料相同的装饰、防腐及延长被保护材料的使用寿命外，遇到火焰或热辐射时，防火涂料迅速发生物理、化学变化隔绝热量，阻止火焰传播蔓延，起到阻燃作用；
当涂覆于构件表面除具有防锈、耐酸碱、烟雾作用外，遇火时隔绝热量，降低构件表面温度，起到耐火作用。
防火涂料的防火机理已被国内有关专家确认，归纳为如下几点：
1．防火涂料本身具有难燃或不燃性，使被保护的可燃性基材不直接与空气接触，从而延迟基材着火燃烧。
2．防火涂料遇火受热分解出不燃的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧。
3．燃烧被认为是游离基引起的连锁反应。
而含氯、磷的防火涂料受热分解出一些活性自由基团可与有机游离基化合，中断连锁反应，降低燃烧速度。
4．膨胀型防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护的基材，阻止基
材燃烧。
9.4.1钢结构防火涂料的类型
钢结构防火涂料按不同厚度可分为薄型（2mm～7mm）、厚型（8mm以上）两类；
按施用处不同可分为室内、露天两类；
按所使用粘结剂的不同可分为有机类、无机类，其中又可分膨胀型和非膨胀型。
（见图9.3）
普通型（涂层厚7mm以下，标准梁耐火时间
膨胀型（B类）可达1.5小时）
超薄型（涂层厚3mm以下，标准梁耐火时间
钢结构防火涂料可达1.5小时
湿法喷涂（蚌石、珍珠岩为主要绝热骨料）
非膨胀型（H类）
干法喷涂（以矿物纤维为主要绝热骨料）
图9.3钢结构防火涂料分类
钢结构防火涂料主要施用于建筑中承载的钢梁、钢柱、球形网架和其它构件的防火保护，使其达到《建筑设计防火规范》（GBJl6—87）和《高层民用建筑设计防火规范》（GBJ45—82）规定的耐火极限（表9.3）
众所周知，钢材虽为不燃烧体，即本身不着火燃烧，但它极易导热，怕火烧。
未加保护的钢结构在火灾温度作用下只需十几分钟，自身温度就可上升到500℃以上，此时钢材的机械力学性能，诸如屈服点、抗拉强度、弹性模量以及载荷能力等都迅速下降，在纵向压力和横向拉力作用下，钢结构不可避免地扭曲变形，垮塌毁坏造成重大损失。
许多令人触目惊心的火灾实例都证实了这一点。
国家标准规定耐火极限值表9.3
规范名称
高层民用建筑设计防火规范
（GBJ45—82）
建筑设计防火规范
（GBJ6—87）
构件名称
耐
火等级
楼板、屋顶承重件
支撑单层的柱
支撑多层的柱
屋顶承
重构件
一级（h）
二级（h）
三级（h）
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
.2.00
0.50
由于钢结构防火涂料遇火时具有优良的隔热性能，减缓了构件自身的温升，从而提高了构件的耐火极限，为扑救火灾赢得了宝贵的时间。
9.4.2钢结构防火涂料技术要求
钢结构防火涂料技术要求见表9.4。
钢结构防火涂料技术要求表9.4
项目
技术指标．
B类
H类
在容器中的状态
经搅拌后呈均匀液态或稠厚流
体，无结块
经搅拌后呈均匀稠厚流体，
无结块
表干时间（h）
≤12
≤24
初期干燥抗裂性
一般不出现裂纹，如有1～3条裂纹，其宽度应不大于0.5mm
一般不出现裂纹，如有1～3条裂纹，其宽度应不大于1mm
外观和颜色
外观和颜色同样品相比，应无明显差别
粘结强度（MPa）
≥0.15
≥0.04
抗压强度（MPa）
≥0.03
干密度（kg/m3）
≤500
热导率[W／（m．K）]
0.116
抗振性
挠曲L／200，涂层不起层，不脱落
抗弯性
挠曲L／100，涂层不起层，不脱落
耐水性
≥24
耐冻融循环性（次）
≥15
耐火
性能
涂层厚度（mm）
3、5、7
8、15、20、30、40、50
耐火极限（h）
≥0.5、1.5
≥0.5、1、1.5、2、2.5、3
注：
L为试件净跨，等于1000mm。
9.4.3钢结构防火涂料施工验收
钢结构防火涂料验收时用目视法检测涂料品种和颜色，与选用的样品对比；
用目视法检测涂层颜色及漏涂和裂缝情况；
用0.75kg、1kg榔头轻击涂层检测其强度等；
用1m直尺检测涂层平整度。
（1）厚涂型钢结构防火涂层应符合下列要求：
涂层厚度符合设计要求。
如厚度低于原订标准，但必须大于原订标准的85％，且厚度不足部位的连续面积的长度不大于1m，并在5m范围内不再出现类似情况。
涂层应完全闭合，不应露底、漏涂。
涂层与钢基材之间和各涂层之间，应粘结牢固，无空鼓、脱层和松散等情况。
涂层表面应无乳突。
有外观要求的部位，母线不直度和失圆度允许偏差不应大于8mm。
（2）薄涂型钢结构防火涂层符合下列要求：
涂层厚度应符合设计要求。
无漏涂、脱粉和明显裂缝等。
如有个别裂缝，其宽度不大于0.5mm。
涂层与钢基材之间和各涂层之间应粘结牢固，无脱层、空鼓等情况。
颜色与外观符合设计规定，轮廓清晰，接搓平整。
9.4.4国内现状
我国从80年代才开始研究钢结构防火涂料。
1983年公安部四川省消防科学研究所最早研制出LG钢结构防火隔热涂料，并于1985年通过了技术成果鉴定，属于厚型涂料。
它是由改性硅酸盐为粘结剂，配以空心飘珠、膨胀珍珠岩等吸热、隔热增强材料组成。
该产品已作为成熟的技术在全国大范围推广，并成功地应用于建筑工程的钢结构防火保护中。
继LG之后北京市建筑材料科学研究所在剖析英国MANDDLITEP20等防火涂料的基础上研制出了STI—A厚型钢结构防火涂料。
北京市红星建筑涂料厂也开发了JG—276厚型钢结构防火涂料，其主要成分为蛭石、水泥、化学助剂等。
国内外几种厚型钢结构防火涂料性能见表9.5。
厚型钢结构防火涂料性能表9.5
产品型号
项目
LG
SII—A
JG一276
MANDDLTEP20
干容重（kg/m3）
导热系数（K／m·
h·
℃）
劈裂抗拉强度（MPa）
耐火极限厚度（mm）
时间（h）
400
0.096
0.7
/
＞0.1
25
400~450
0.0954
≥0.4
28~29
270~370
0.097
0.285
0.83
＞0.3
2.5
288~352
0.104
0.280
0.49
36
国内第一个薄型钢结构防火涂料产品LB钢结构防火涂料是由公安部四川消防科研所同北京建筑防火材料公司一起研制开发的。
一经问世便在北京第十一届亚运会工程中使用，收到良好的反应。
该产品主要由有机聚合乳液、膨胀阻燃剂、无机耐火增强材料、溶剂等组成。
继LB之后国内许多单位研究开发出薄型钢结构防火涂料。
典型防火涂料生产厂及产品见表9.6。
国内外薄型钢结构防火涂料技术性能表9.6
涂料名称、规格型号
防火性能
理化性能
BGW—90钢结构溶剂型薄型防火涂料
（福建）
涂层厚度4mm
耐火极限，90min
符合国标
SD—1型钢结构防火涂料
（上海）
涂层厚度5.5mm
耐火极限97min
LB钢结构膨胀防火涂料
（成都）
涂层厚度5mm
耐火极限1~1.5h
（杭州）
涂层厚度6mm~7mm
耐火极限1.5h
GJ—1型钢结构薄层膨胀防火涂料
（北京）
耐火极限≥1.5h
TN—LB钢结构防火涂料
MCl0钢结构防火涂料
耐火极限＞1.5h
BFG8911钢结构防火涂料
耐火极限，1.5h
SB—2膨胀型钢结构防火涂料
涂层厚度4.7mm
耐火极限110min
FCC50
（美国）
涂层厚度4.8mm
耐火极限≥60min
此外，国内还有专门用于对预应力混凝上楼板防火保护的防火涂料。
现只有公安部四川消防科学研究所研制的106预应力混凝土楼板防火隔热涂料一种。
其组成、作用原理、技术要求都与钢结构防火涂料基本相同，属钢结构防火涂料的范畴。
9.4.5钢结构防火涂料发展应用中存在的问题
（1）薄型钢结构防火涂料的耐老化、耐候性问题。
厚型钢结构防火涂料主要成分为无机物，具有较好的稳定性、耐氧化、耐辐射，长期使用其主要性能变化不大，且可通过增加涂层厚度的办法保证构件很高的耐火极限，但其装饰效果比较差，不适用于有装饰要求的场所而薄型钢结构防火涂料主要用高聚物组成，存在材料老化、降解的问题。
如果经过一段时间涂料主要成分被氧化、降解，可能会消弱原有的性能，遇火时起不到应有的作用，就会造成损失。
然而这一问题即老化寿命问题的验证工作国内尚未系统地开展，国家也无统一的技术要求。
一些单位如北京市建筑涂料厂根据实际需要，参照有关标准对涂料的老化疲劳寿命进行了探索、研究，取得了一整套可喜数据，得到了有关专家的认可。
（2）露天钢结构防火保护问题。
大量露天建筑物和构筑物如化工炼油厂，石油钻井平台，油、气罐群及油、气罐支撑和电缆、线桥架等，广泛采用了钢结构，需要施加相应的防火保护措施。
由于暴露于户外需要承受日照、风吹、雨淋、冻融、外来冲击等严酷自然因素及化工厂酸、碱等腐蚀的影响，需要涂料有更好的耐候性能。
目前国内许多单位在原有的钢结构防火涂料的基础上改进开发了露天防火涂料。
但是这些涂料的理化性能都是依据室内涂料的标准要求检验的，虽然高于同类室内产品的性能指标，而是否能满足户外苛刻条件的要求，有待进一步研究论证，且需要国内有关部门制定出适用于露天防火涂料的统一的国家或行业标准，以满足实际需要。
9.5美国世贸中心大楼倒塌原因分析
一．引言
2001年9月11日是让全世界震惊的一天，美国纽约和华盛顿及其他城市相继遭受有史以来最严重的恐怖袭击。
遭受袭击大事记如下：
美国东部时间9月11日08：
45：
载有92位乘客的美国航空公司波音767客机11次航班从波士顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击世贸中心北楼；
美国东部时间9月11日09：
03：
载有65位乘客的联合航空公司波音757客机175次航班从波士顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击世贸中心南楼；
43：
载有64位乘客的美国航空公司波音77次航班从华盛顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击美国五角大楼；
美国东部时间9月11日10：
05：
世贸中心南楼轰然倒塌；
28：
世贸中心北楼轰然倒塌；
37：
载有45位乘客的联合航空公司波音93次航班从新泽西州飞往旧金山的客机坠毁在匹斯堡东南80英里以外地区；
美国东部时间9月11日11：
34：
联航一家从纽华客飞往旧金山的波音757客机在宾州西部坠毁，地点处于纽约与华盛顿之间；
美国东部时间9月11日15：
25：
世贸中心7号楼倒塌；
笔者曾与1996年10月28日登上世贸中心顶部，为人类建筑史上的这一伟大杰作兴奋不已，当时油然而生的自豪感如今已荡然无存，面对在恐怖事件中世贸中心大楼被毁的照片，不禁令人感慨万千。
自火烧圆明园以来，似乎还没有哪一例国际事件与建筑如此相连。
矗立在曼哈顿的这两座姊妹大厦，就像支撑美国精神的政治、经济两个擎天柱，就这样到了，“永恒的纪念碑”竟如此脆弱，“凝固的音乐”结束了近29岁年轻的生命，47个国家成千上万的公民遇难。
这是骄傲的美国人太伤自尊、如大梦初醒，也使全世界的建筑界为之悲哀。
同时，也给从事钢结构的工程技术人员敲响了新世纪的第一个警钟。
二．工程概况
纽约世贸中心姊妹塔楼，地下6层，地上110层，高度411m。
设计人为著名的美籍日裔建筑师雅马萨奇，熊谷组施工，两幢楼的建筑时间为1966～1973年。
每幢楼建筑面积41.8万㎡，标准层平面尺寸63.5m×
63.5m，内筒尺寸24m×
42m，标准层层高为3.66m，吊顶下净高2.62m，一层入口大堂高度22.3m，建筑高宽比为6.5。
整个世贸中心可容纳5万人工作，每天来办公和参观的约3万人左右。
纽约世贸中心姊妹塔楼为超高层钢结构建筑，采用“外筒结构体系”，外筒承担全部水平荷载，内筒只承担竖向荷载。
外筒由密柱深
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