隨著改革開放的不斷深入和社會經濟的迅速發展,城市建設日新月異,一些大跨度的超高層建筑不斷涌現,同傳統的木結構、磚石結構和鋼混結構相此,鋼結構因具有強度高、受荷能力強、自重輕、體積小、構件制造與安裝方便等優點得到大量廣泛的應用,比如上海的經茂大廈、福州海峽國際會展中心等都全部或者大部分采用了鋼結構,還有許多大型公共建筑(包括國家太型項目,重點項目)比如體育館、火車站、劇院、飛機場的航站樓等,包括奧運場館,都大部分采用鋼結構建筑。但是鋼結構就其自身耐火性能來講,遠低于磚石和鋼混結構,2001年9月11日,位于美國紐約市中心的世貿大廈遭到兩架民航客機的撞擊,僅過了20多分鐘,這座摩天大廈就轟然倒塌,造成了數干人的重大傷亡。如此龐大的建筑為何這般不堪一擊,建筑學家們眾說紛紜,但有一點是肯定的,那就是和這座建筑的全鋼結構有很大的關系。隨著鋼結構建筑的不斷增加,鋼結構防火問題不容回避。
現代鋼結構建筑的特點:
a.跨度大、高度高,結構形體靈活
鋼結構具有:(1)重量輕:鋼材料的密度雖比混凝土等建筑材料大,但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕,因為鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多,在同樣受力情況下鋼結構自重小:(2)強度高,塑性韌性好:在一般條件下不會因超載而突然斷裂,同時鋼結構對動力荷載的適應性強,彈性模量高,使鋼材具有優越的抗震性能;(3)材質均勻:鋼材組織均勻,接近各向同性均勻體,同時鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合;以上特點能夠滿足超高度和超跨度建筑的要求,使鋼結構可以做成跨度大、高度高,結構形體靈活的建筑。如上海盧浦大橋箱型鋼拱跨度達550m,潤揚長江大橋的大跨懸索橋跨度達1490m,上海的金茂大廈高度達420m。
b.構件制造和安裝方便
鋼結構建筑模數的協調統一使不同材料、不同形狀和不同制造方法的建筑構配件具有一定的通用性和互換性,可以使建筑的預工程化提高,提高了施工速度。
c.建筑外觀藝術化
現代建筑的設計在完善使用功能的前提下都追求完美的建筑外形,特別有些是城市的標志性建筑更為講究,鋼構件因形體靈活和可拆卸性成為形象構成的重要因素,讓建筑與結構的設計一體化,可以創造出技術與藝術融為一體的鋼結構建筑。
d.原材料重復使用
我國是世界上最大的磚砌體建筑與混凝土建筑和木結構建筑大國,節約建筑材料資源和提高建筑材料的重復利用率非常必要,尤其對于資源和能源都非常短缺的我國意義尤為重大,鋼材具有很高的再循環利用價值,甚至邊角料都可利用,發展鋼結構建筑對于倡導和發展節約型社會有重要意義。
鋼結構建筑的火災危險性
a.防火性能差
在未進行防火保護的情況下,火災時,其強度會迅速下降,約在150℃以內鋼材性能沒有很大的變化,250℃附近出現蘭脆現象,約260℃-320℃時有徐變現象,430℃-540℃之間則強度急劇下降,400℃時屈服應力僅有常溫屈服應力值的50%,按理論計算,在全負荷情況下,使鋼結構失去靜態平衡穩定性的臨界溫度為500℃,600℃喪失承載能力,一般火場溫度達到800℃~1000℃,在這樣的溫度下裸露的鋼結構很快出現塑性變形,造成鋼材料建筑整體倒塌。
b.面積大、空間大,易形成立體燃燒
鋼結構建筑高度高、空間大的重要特點是空氣流通好、門窗洞口多,發生火災易向上、左右蔓延,且速度極快,易形成大面積的立體燃燒。許多案例證明,這種火災在10-15分鐘就發展到猛烈階段,室內的火可以很快竄向屋頂形成敞開式的大面積燃燒,鋼構件受高溫作用很快失去承重能力而倒塌,而倒塌之后又可加快燃燒和蔓延速度。
c.人員密集、疏散困難,易造成群死群傷事故
鋼結構建筑空間大,容納人數多,少則幾百人,多則幾千人,一旦發生火災,人們往往會因恐懼情緒造成心理上的不安,爭相逃生,容易造成場面混亂,不易組織疏散,又往往因為沒有及時有序的疏散,或因為安全出口不足,或出口被火勢封死,或出口被鎖閉而造成重大的傷亡事故。
鋼結構建筑
以鋼材制作為主的結構,是主要的建筑結構類型之一。鋼材的特點是強度高、自重輕、剛度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜;材料勻質性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學的基本假定;材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動力荷載;建筑工期短;其工業化程度高,可進行機械化程度高的專業化生產;加工精度高、效率高、密閉性好,故可用于建造氣罐、油罐和變壓器等。其缺點是耐火性和耐腐性較差。主要用于重型車間的承重骨架、受動力荷載作用的廠房結構、板殼結構、高聳電視塔和桅桿結構、橋梁和庫等大跨結構、高層和超高層建筑等。鋼結構今后應研究高強度鋼材,大大提高其屈服點強度;此外要軋制新品種的型鋼,例如H型鋼(又稱寬翼緣型鋼)和T形鋼以及壓型鋼板等以適應大跨度結構和超高層建筑的需要。