随着改革开放的不断深入和社会经济的迅速发展,城市建设日新月异,一些大跨度的超高层建筑不断涌现,同传统的木结构、砖石结构和钢混结构相此,钢结构因具有强度高、受荷能力强、自重轻、体积小、构件制造与安装方便等优点得到大量广泛的应用,比如上海的经茂大厦、福州海峡国际会展中心等都全部或者大部分采用了钢结构,还有许多大型公共建筑(包括国家太型项目,重点项目)比如体育馆、火车站、剧院、飞机场的航站楼等,包括奥运场馆,都大部分采用钢结构建筑。但是钢结构就其自身耐火性能来讲,远低于砖石和钢混结构,2001年9月11日,位于美国纽约市中心的世贸大厦遭到两架民航客机的撞击,仅过了20多分钟,这座摩天大厦就轰然倒塌,造成了数干人的重大伤亡。如此庞大的建筑为何这般不堪一击,建筑学家们众说纷纭,但有一点是肯定的,那就是和这座建筑的全钢结构有很大的关系。随着钢结构建筑的不断增加,钢结构防火问题不容回避。
现代钢结构建筑的特点:
a.跨度大、高度高,结构形体灵活
钢结构具有:(1)重量轻:钢材料的密度虽比混凝土等建筑材料大,但钢结构却比钢筋混凝土结构轻,因为钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多,在同样受力情况下钢结构自重小:(2)强度高,塑性韧性好:在一般条件下不会因超载而突然断裂,同时钢结构对动力荷载的适应性强,弹性模量高,使钢材具有优越的抗震性能;(3)材质均匀:钢材组织均匀,接近各向同性均匀体,同时钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合;以上特点能够满足超高度和超跨度建筑的要求,使钢结构可以做成跨度大、高度高,结构形体灵活的建筑。如上海卢浦大桥箱型钢拱跨度达550m,润扬长江大桥的大跨悬索桥跨度达1490m,上海的金茂大厦高度达420m。
b.构件制造和安装方便
钢结构建筑模数的协调统一使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性,可以使建筑的预工程化提高,提高了施工速度。
c.建筑外观艺术化
现代建筑的设计在完善使用功能的前提下都追求完美的建筑外形,特别有些是城市的标志性建筑更为讲究,钢构件因形体灵活和可拆卸性成为形象构成的重要因素,让建筑与结构的设计一体化,可以创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。
d.原材料重复使用
我国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑和木结构建筑大国,节约建筑材料资源和提高建筑材料的重复利用率非常必要,尤其对于资源和能源都非常短缺的我国意义尤为重大,钢材具有很高的再循环利用价值,甚至边角料都可利用,发展钢结构建筑对于倡导和发展节约型社会有重要意义。
钢结构建筑的火灾危险性
a.防火性能差
在未进行防火保护的情况下,火灾时,其强度会迅速下降,约在150℃以内钢材性能没有很大的变化,250℃附近出现兰脆现象,约260℃-320℃时有徐变现象,430℃-540℃之间则强度急剧下降,400℃时屈服应力仅有常温屈服应力值的50%,按理论计算,在全负荷情况下,使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃,600℃丧失承载能力,一般火场温度达到800℃~1000℃,在这样的温度下裸露的钢结构很快出现塑性变形,造成钢材料建筑整体倒塌。
b.面积大、空间大,易形成立体燃烧
钢结构建筑高度高、空间大的重要特点是空气流通好、门窗洞口多,发生火灾易向上、左右蔓延,且速度极快,易形成大面积的立体燃烧。许多案例证明,这种火灾在10-15分钟就发展到猛烈阶段,室内的火可以很快窜向屋顶形成敞开式的大面积燃烧,钢构件受高温作用很快失去承重能力而倒塌,而倒塌之后又可加快燃烧和蔓延速度。
c.人员密集、疏散困难,易造成群死群伤事故
钢结构建筑空间大,容纳人数多,少则几百人,多则几千人,一旦发生火灾,人们往往会因恐惧情绪造成心理上的不安,争相逃生,容易造成场面混乱,不易组织疏散,又往往因为没有及时有序的疏散,或因为安全出口不足,或出口被火势封死,或出口被锁闭而造成重大的伤亡事故。
钢结构建筑
以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。钢材的特点是强度高、自重轻、刚度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载;建筑工期短;其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产;加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和库等大跨结构、高层和超高层建筑等。钢结构今后应研究高强度钢材,大大提高其屈服点强度;此外要轧制新品种的型钢,例如H型钢(又称宽翼缘型钢)和T形钢以及压型钢板等以适应大跨度结构和超高层建筑的需要。