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鋼結構建筑的防腐除銹及防火策略論文
當前在推行建筑產(chǎn)業(yè)現代化及其鋼結構建筑中，人們對鋼結構的防腐和防火長(cháng)效性有誤區。有人認為，目前我國的現行防腐和防火技術(shù)耐久性不夠，不能滿(mǎn)足鋼結構工程的需要，有的甚至認為推廣鋼結構建筑防腐防火是一個(gè)不可逾越的“障礙”.對此誤區我們不能沉默，它直接影響鋼結構建筑的推廣應用，我們在此重溫鋼材防腐防火基本知識，旨在技術(shù)交流。
一、鋼結構的腐蝕與環(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(jiàn)，只有在濕度超過(guò)70%時(shí)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。根據這些影響因素的程度不同，無(wú)保護鋼材的年腐蝕速度如表1所示。我國的設計規范要求“設計中一般不應因考慮銹蝕而加大鋼材截面的厚度”.
二、鋼結構建筑沒(méi)有維修先例
在人類(lèi)居住、辦公建筑的室內環(huán)境中，不存在高濕度的或高含量的侵蝕性氣體，屬于一類(lèi)建筑環(huán)境，民用建筑鋼結構僅做規范規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(méi)有遭到破壞、也沒(méi)有紫外線(xiàn)照射的老化，防腐涂層得到長(cháng)期保護，與氧氣隔絕，鋼材不能被氧化，無(wú)需在使用中對防腐層進(jìn)行維修。世界上也沒(méi)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(zhù)名的摩天大樓，由Shreeve, Lamb, and Harmon建筑公司設計，1930年動(dòng)工，1931年落成，只用了410天，全鋼結構102層、高384米，從1931年建成至今仍正常使用，未曾見(jiàn)到報道這座鋼結構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(xiàn) 高 達457.2米，地上100層，總樓面面積260,126平方米，1965年開(kāi)工，1969年完工，是當時(shí)紐約之外全世界最高的摩天大樓，主要構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(jiàn)報道這座鋼結構建筑每隔幾年就要大修一次。
北京長(cháng)富宮飯店于1987年建造，全鋼結構，地下2層、地上25層，高91m,純鋼框架結構，主要鋼材SM490A（屈服強度為325MPa），標準層高3.3m,主要柱網(wǎng)8m×9.8m,外墻采用帶面磚的預制混凝土掛板，是我國早期的鋼結構裝配式建筑。賓館建筑每個(gè)房間都有用水設備。從1987年建成至今仍正常使用，也未曾見(jiàn)報道這座鋼結構建筑每隔幾年就要大修一次。
從國外到國內，鋼結構建筑從未進(jìn)行過(guò)也沒(méi)考慮過(guò)要在使用中去“維護”鋼結構的防腐刷漆問(wèn)題，若真是那樣，鋼結構就沒(méi)有在建筑中使用的價(jià)值。
總之，鋼結構建筑在人類(lèi)生存環(huán)境中按現行規范一次性做好防腐，就能達到長(cháng)效防腐的效果，不需要中途把建筑拆除進(jìn)行維護。要是“信不過(guò)”,那就做鍍鋅防腐，輸電鋼塔常年在崇山峻嶺中屹立，未見(jiàn)鋼塔因銹蝕倒塌，鋼塔只不過(guò)做了鍍鋅防腐即可長(cháng)效防腐；要是還“信不過(guò)”,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(jiǎn)單化，夠用就行了，建筑工程鋼結構的防腐采用現行建筑規范做法是完全能滿(mǎn)足長(cháng)效防腐要求的。
三、鋼結構的防腐除銹是關(guān)鍵
實(shí)踐中有些因施工質(zhì)量問(wèn)題出現鋼結構返銹現象，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(shí)間長(cháng)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）、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(guò)表面徹底清理去除鐵銹、軋屑和油類(lèi)等污染物，底層涂料才能永久地附著(zhù)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(jiàn)表3所示。
由于各國制定鋼材表面除銹等級時(shí)，基本上都是采用美國和瑞典的除銹標準作為藍本，因此各國的除銹等級大體上是對應采用的，我國與瑞典完全一致。
除銹等級的確定是涂裝設計的主要內容。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(guò)高，會(huì )造成人力和費用的浪費，過(guò)低會(huì )降低涂層質(zhì)量，起不到應有的防護作用，反而是更大的浪費。單純從除銹等級標準看，Sa3級標準質(zhì)量最高，但它需要施工條件和費用也最高。據有關(guān)文獻報道：達到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(shí)現。瑞典除銹標準說(shuō)明書(shū)指出：鋼材除銹質(zhì)量達到Sa3級時(shí)，表面清潔度為100%,達到Sa2.5級則為95%.按工時(shí)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(guò)高的標準，而要根據需要來(lái)確定除銹等級。
設計首先要考慮與底漆相適應的除銹等級，我國規范規定了各種底漆或防銹漆要求最低的除銹等級為表4所列。
設計上一般規定干膜總厚度應為100μm~150μm.涂層厚度應適當，過(guò)厚雖然可以增加防護能力，但附著(zhù)力和機械性能有所降低，且費用過(guò)高；過(guò)薄易產(chǎn)生肉眼看不見(jiàn)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。
有防火要求的鋼結構，鋼結構表面可僅涂?jì)杀榉冷P底漆，再涂?jì)杀楸Ｗo性面漆，干膜總厚度應在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、鋼結構的防火
鋼結構耐火性能較差，與混凝土結構的耐火性能相比見(jiàn)表5所示。鋼結構的耐火強度比鋼筋混凝土結構低，且剛度下降較多，在發(fā)生火災時(shí)，火場(chǎng)溫度高達800℃~1000℃，裸露的鋼結構會(huì )發(fā)生較大的塑性變形而致使結構倒塌。因此，對鋼結構必須加以保護以提高耐火時(shí)間從而把火災損失降到最小。
在住宅建筑中，有很多分戶(hù)墻構成很多防火分區，某戶(hù)發(fā)生火災后不會(huì )很快蔓延整樓層或整棟建筑著(zhù)火。不僅如此，還有許多有利因素：
第一是鋼結構具有一定的強度儲備。一幢建筑發(fā)生火災不是各層各房間同時(shí)燃燒，而是局部先起火，個(gè)別構件先達到耐火極限而喪失承載力被破壞。但是，按彈性理論設計的超靜定結構，當個(gè)別構件破壞后仍能繼續承載，如一根連續梁當中某個(gè)截面出現塑性鉸后梁仍保持承載力。另外，結構設計是按重力荷載、風(fēng)、地震組合，火災發(fā)生時(shí)不一定會(huì )有大風(fēng)和地震同時(shí)出現。因此，結構強度有一定的儲備。
第二是住宅房間內有多少可燃物、究竟能產(chǎn)生多少熱量以及達到鋼構件300℃以上的溫度能持續多長(cháng)時(shí)間的問(wèn)題。對此，國外提出一個(gè)火災荷載概念：火災荷載是由一個(gè)給定空間內所有可燃材料的總量以及燃燒所釋放的熱量來(lái)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(jiàn)表6所列。
任何特定的材料燃燒性能是由發(fā)生燃燒的區段內形成的“時(shí)間·溫度”曲線(xiàn)表示的，這一曲線(xiàn)又可以進(jìn)而與國際標準“時(shí)間·溫度”曲線(xiàn)找到對應關(guān)系，從而得到所考慮區段火災荷載作用的國際標準時(shí)間。如表7所示。
從火災中包圍結構構件氣體溫度可以計算出傳給構件的總熱量，考慮到由各種外包層形成的隔熱能力，每個(gè)構件的溫度應分別計算。如果這種外包層能防止結構構件的升溫超過(guò)臨界值T,則該構件設計本身就不必考慮火災的外加荷載。如果從達到某一臨界溫度所持續燃燒的時(shí)間沒(méi)有超過(guò)受保護鋼構件的耐火極限，也就是安全的。換句話(huà)說(shuō)，鋼結構建筑不一定都要求做防火設計，這樣的工程實(shí)例很多。
如果考慮了以上的因素，就能緩和嚴格的耐火要求，采用較少的防護材料從而降低費用�？傊�，目前按現行國家防火規范設計的鋼結構是完全可以滿(mǎn)足實(shí)際防火能力的，多余的擔心是沒(méi)有根據的。美國“9.11”事件是極其偶然的，人類(lèi)歷史上也僅為這一次，各國不會(huì )因為“9.11”而修改自己的行業(yè)技術(shù)政策，鋼結構住宅也沒(méi)有可能遭受這樣大的火災災害。
五、結論
鋼材銹蝕是氧化反應，當鋼材被除銹徹底，防腐涂料牢牢附著(zhù)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(shí)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)于鋼結構防火是個(gè)管理問(wèn)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！現行的耐火時(shí)限是逃生時(shí)間，不是要建筑“燒不塌”.
我們要把研究與應用區分開(kāi)來(lái)，研究可以無(wú)止境，應用“夠了”就好。工程應用按“規范”規定做，我國的防腐和防火規范是能夠滿(mǎn)足工程需要的，懷疑和否定規范也是違反規范的�！皯岩伞笨梢酝ㄟ^(guò)交流解決，“否定”就不好辦了，就會(huì )阻礙鋼結構建筑的發(fā)展。
參考文獻：
[1] 沈祖炎主編，《鋼結構制作安裝手冊》，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 型鋼設計手冊》，中國計劃出版社，1998.
[3] 中華人民共和國國家標準，《鋼結構設計規范》GB50017-2003,2003.
[4] 中華人民共和國國家標準，《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》GB50205-2001,2002.
[5] [ 西德 ]F. 哈特 W. 海恩 H. 桑塔格 著(zhù)，夏英超等譯，《鋼結構建筑資料集》中國建筑出版社，1983.
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