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鋼結(jié)構(gòu)建筑的防腐除銹及防火策略論文
當(dāng)前在推行建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化及其鋼結(jié)構(gòu)建筑中，人們對鋼結(jié)構(gòu)的防腐和防火長效性有誤區(qū)。有人認(rèn)為，目前我國的現(xiàn)行防腐和防火技術(shù)耐久性不夠，不能滿足鋼結(jié)構(gòu)工程的需要，有的甚至認(rèn)為推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑防腐防火是一個不可逾越的“障礙”.對此誤區(qū)我們不能沉默，它直接影響鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用，我們在此重溫鋼材防腐防火基本知識，旨在技術(shù)交流。
一、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕與環(huán)境有關(guān)
鋼材腐蝕與相對濕度和大氣中侵蝕性物質(zhì)含量密切相關(guān)，從“鋼材腐蝕與大氣相對濕度”關(guān)系圖1中可見，只有在濕度超過70%時才發(fā)生值得重視的腐蝕。大氣相對濕度及侵蝕介質(zhì)（如二氧化硫等）的含量是影響鋼材腐蝕的主要因素。根據(jù)這些影響因素的程度不同，無保護鋼材的年腐蝕速度如表1所示。我國的設(shè)計規(guī)范要求“設(shè)計中一般不應(yīng)因考慮銹蝕而加大鋼材截面的厚度”.
二、鋼結(jié)構(gòu)建筑沒有維修先例
在人類居住、辦公建筑的室內(nèi)環(huán)境中，不存在高濕度的或高含量的侵蝕性氣體，屬于一類建筑環(huán)境，民用建筑鋼結(jié)構(gòu)僅做規(guī)范規(guī)定的一般性防腐即可，再加上防火層和裝修層的保護，防腐涂料沒有遭到破壞、也沒有紫外線照射的老化，防腐涂層得到長期保護，與氧氣隔絕，鋼材不能被氧化，無需在使用中對防腐層進行維修。世界上也沒有維修先例。
美 國 紐 約 帝 國 大 廈（Empire StateBuilding），是位于美國紐約市的一棟著名的摩天大樓，由Shreeve, Lamb, and Harmon建筑公司設(shè)計，1930年動工，1931年落成，只用了410天，全鋼結(jié)構(gòu)102層、高384米，從1931年建成至今仍正常使用，未曾見到報道這座鋼結(jié)構(gòu)建筑每隔幾年就要大修一次。
芝加哥的漢考克大廈（John Hancock Center）樓 高343.5米（1,127英 尺）， 加 上 天 線 高 達(dá)457.2米，地上100層，總樓面面積260,126平方米，1965年開工，1969年完工，是當(dāng)時紐約之外全世界最高的摩天大樓，主要構(gòu)件的鋼材屈服強度為350MPa.從1969年建成至今仍正常使用，也未曾見報道這座鋼結(jié)構(gòu)建筑每隔幾年就要大修一次。
北京長富宮飯店于1987年建造，全鋼結(jié)構(gòu)，地下2層、地上25層，高91m,純鋼框架結(jié)構(gòu)，主要鋼材SM490A（屈服強度為325MPa），標(biāo)準(zhǔn)層高3.3m,主要柱網(wǎng)8m×9.8m,外墻采用帶面磚的預(yù)制混凝土掛板，是我國早期的鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑。賓館建筑每個房間都有用水設(shè)備。從1987年建成至今仍正常使用，也未曾見報道這座鋼結(jié)構(gòu)建筑每隔幾年就要大修一次。
從國外到國內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)建筑從未進行過也沒考慮過要在使用中去“維護”鋼結(jié)構(gòu)的防腐刷漆問題，若真是那樣，鋼結(jié)構(gòu)就沒有在建筑中使用的價值。
總之，鋼結(jié)構(gòu)建筑在人類生存環(huán)境中按現(xiàn)行規(guī)范一次性做好防腐，就能達(dá)到長效防腐的效果，不需要中途把建筑拆除進行維護。要是“信不過”,那就做鍍鋅防腐，輸電鋼塔常年在崇山峻嶺中屹立，未見鋼塔因銹蝕倒塌，鋼塔只不過做了鍍鋅防腐即可長效防腐；要是還“信不過”,那就用艦船防腐涂料吧，潛艇常年浸泡在海水里不是也有辦法防腐嗎？科學(xué)是追求簡單化，夠用就行了，建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的防腐采用現(xiàn)行建筑規(guī)范做法是完全能滿足長效防腐要求的。
三、鋼結(jié)構(gòu)的防腐除銹是關(guān)鍵
實踐中有些因施工質(zhì)量問題出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)返銹現(xiàn)象，主要是鋼材除銹不徹底或帶秀刷漆造成的。我們知道，涂層的防護作用程度和防護時間長短取決于涂層質(zhì)量，而涂層質(zhì)量受到表面處理（防銹質(zhì)量）、涂層厚度（涂裝道數(shù)）、涂料品種、施工質(zhì)量等因素的影響，這些因素的影響程度大致為表2所示。鋼材只有經(jīng)過表面徹底清理去除鐵銹、軋屑和油類等污染物，底層涂料才能永久地附著于鋼材上并對它起有效的保護作用。除銹方法和除銹等級見表3所示。
由于各國制定鋼材表面除銹等級時，基本上都是采用美國和瑞典的除銹標(biāo)準(zhǔn)作為藍(lán)本，因此各國的除銹等級大體上是對應(yīng)采用的，我國與瑞典完全一致。
除銹等級的確定是涂裝設(shè)計的主要內(nèi)容。由于鋼材表面處理是影響涂層質(zhì)量的主要因素，所以合理的正確地確定除銹等級對保證涂層質(zhì)量具有非常重要的作用。確定的除銹等級過高，會造成人力和費用的浪費，過低會降低涂層質(zhì)量，起不到應(yīng)有的防護作用，反而是更大的浪費。單純從除銹等級標(biāo)準(zhǔn)看，Sa3級標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量最高，但它需要施工條件和費用也最高。據(jù)有關(guān)文獻報道：達(dá)到Sa3級的除銹質(zhì)量，只能在相對濕度不大于55%的條件下才能實現(xiàn)。瑞典除銹標(biāo)準(zhǔn)說明書指出：鋼材除銹質(zhì)量達(dá)到Sa3級時，表面清潔度為100%,達(dá)到Sa2.5級則為95%.按工時消耗計算，若以Sa2級為100%,Sa2.5級則為130%和Sa3級為200%.因此，不能盲目要求過高的標(biāo)準(zhǔn)，而要根據(jù)需要來確定除銹等級。
設(shè)計首先要考慮與底漆相適應(yīng)的除銹等級，我國規(guī)范規(guī)定了各種底漆或防銹漆要求最低的除銹等級為表4所列。
設(shè)計上一般規(guī)定干膜總厚度應(yīng)為100μm~150μm.涂層厚度應(yīng)適當(dāng)，過厚雖然可以增加防護能力，但附著力和機械性能有所降低，且費用過高；過薄易產(chǎn)生肉眼看不見的針孔和其他缺陷，起不到隔離環(huán)境的作用。涂層厚度用磁性測厚儀測定。
有防火要求的鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)表面可僅涂兩遍防銹底漆，再涂兩遍保護性面漆，干膜總厚度應(yīng)在75μm~100μm,然后在其表面涂裝防火涂料或防火板包裹，起防火作用，也可保護底漆。
四、鋼結(jié)構(gòu)的防火
鋼結(jié)構(gòu)耐火性能較差，與混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能相比見表5所示。鋼結(jié)構(gòu)的耐火強度比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)低，且剛度下降較多，在發(fā)生火災(zāi)時，火場溫度高達(dá)800℃~1000℃，裸露的鋼結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的塑性變形而致使結(jié)構(gòu)倒塌。因此，對鋼結(jié)構(gòu)必須加以保護以提高耐火時間從而把火災(zāi)損失降到最小。
在住宅建筑中，有很多分戶墻構(gòu)成很多防火分區(qū)，某戶發(fā)生火災(zāi)后不會很快蔓延整樓層或整棟建筑著火。不僅如此，還有許多有利因素：
第一是鋼結(jié)構(gòu)具有一定的強度儲備。一幢建筑發(fā)生火災(zāi)不是各層各房間同時燃燒，而是局部先起火，個別構(gòu)件先達(dá)到耐火極限而喪失承載力被破壞。但是，按彈性理論設(shè)計的超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)個別構(gòu)件破壞后仍能繼續(xù)承載，如一根連續(xù)梁當(dāng)中某個截面出現(xiàn)塑性鉸后梁仍保持承載力。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計是按重力荷載、風(fēng)、地震組合，火災(zāi)發(fā)生時不一定會有大風(fēng)和地震同時出現(xiàn)。因此，結(jié)構(gòu)強度有一定的儲備。
第二是住宅房間內(nèi)有多少可燃物、究竟能產(chǎn)生多少熱量以及達(dá)到鋼構(gòu)件300℃以上的溫度能持續(xù)多長時間的問題。對此，國外提出一個火災(zāi)荷載概念：火災(zāi)荷載是由一個給定空間內(nèi)所有可燃材料的總量以及燃燒所釋放的熱量來計算，即
Qi=Gi·Hμ （4.6.2-1）
式 中， Qi為 每 種 可 燃 材 料 產(chǎn) 生 的 熱 量（Mcal）； Gi為可燃材料的重量（kg）； Hμ為正常溫度下可燃材料發(fā)熱量（Mcal/kg），見表6所列。
任何特定的材料燃燒性能是由發(fā)生燃燒的區(qū)段內(nèi)形成的“時間·溫度”曲線表示的，這一曲線又可以進而與國際標(biāo)準(zhǔn)“時間·溫度”曲線找到對應(yīng)關(guān)系，從而得到所考慮區(qū)段火災(zāi)荷載作用的國際標(biāo)準(zhǔn)時間。如表7所示。
從火災(zāi)中包圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件氣體溫度可以計算出傳給構(gòu)件的總熱量，考慮到由各種外包層形成的隔熱能力，每個構(gòu)件的溫度應(yīng)分別計算。如果這種外包層能防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫超過臨界值T,則該構(gòu)件設(shè)計本身就不必考慮火災(zāi)的外加荷載。如果從達(dá)到某一臨界溫度所持續(xù)燃燒的時間沒有超過受保護鋼構(gòu)件的耐火極限，也就是安全的。換句話說，鋼結(jié)構(gòu)建筑不一定都要求做防火設(shè)計，這樣的工程實例很多。
如果考慮了以上的因素，就能緩和嚴(yán)格的耐火要求，采用較少的防護材料從而降低費用�？傊壳鞍船F(xiàn)行國家防火規(guī)范設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)是完全可以滿足實際防火能力的，多余的擔(dān)心是沒有根據(jù)的。美國“9.11”事件是極其偶然的，人類歷史上也僅為這一次，各國不會因為“9.11”而修改自己的行業(yè)技術(shù)政策，鋼結(jié)構(gòu)住宅也沒有可能遭受這樣大的火災(zāi)災(zāi)害。
五、結(jié)論
鋼材銹蝕是氧化反應(yīng)，當(dāng)鋼材被除銹徹底，防腐涂料牢牢附著在鋼材表面，再有防火涂料和裝修材料的保護，完全把空氣隔絕，鋼材就不能被氧化。至于防銹漆的年限是指它耐風(fēng)化的時間。潮濕也不一定就發(fā)生腐蝕，不然我們建筑為何大量采用鋼樁。關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)防火是個管理問題，要求從技術(shù)上徹底防火那就不是建筑，而是一座煉鋼爐！現(xiàn)行的耐火時限是逃生時間，不是要建筑“燒不塌”.
我們要把研究與應(yīng)用區(qū)分開來，研究可以無止境，應(yīng)用“夠了”就好。工程應(yīng)用按“規(guī)范”規(guī)定做，我國的防腐和防火規(guī)范是能夠滿足工程需要的，懷疑和否定規(guī)范也是違反規(guī)范的。“懷疑”可以通過交流解決，“否定”就不好辦了，就會阻礙鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。
參考文獻：
[1] 沈祖炎主編，《鋼結(jié)構(gòu)制作安裝手冊》，中國建筑工業(yè)出版社，1998.
[2] 冶金部建筑研究總院、馬鞍山鋼鐵股份有限公司，《熱軋 H 型鋼設(shè)計手冊》，中國計劃出版社，1998.
[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003,2003.
[4] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205-2001,2002.
[5] [ 西德 ]F. 哈特 W. 海恩 H. 桑塔格 著，夏英超等譯，《鋼結(jié)構(gòu)建筑資料集》中國建筑出版社，1983.
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