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防火玻璃系统技术及应用

 

1 前言
建筑防火是建筑安全设计中一个十分重要的项目,建筑防火分区的要求往往使建筑师在建筑美学与建筑防火长进退两难,然而玻璃作为现代建筑的时尚,它所具有的通透性和华丽的效果,使得防火玻璃成为现代建筑师们乐于追逐的目标,用防火玻璃作为防火分隔材料的上风不仅在于晋升了建筑美感和采光效果,而且要比传统的墙体轻,可进步建筑物的有效使用面积,便于施工。GB15763.1 《建筑用安全玻璃防火玻璃》尺度颁布实施以来, 单片防火玻璃逐渐被人们熟悉和接受,与此同时, 系统防火的理念逐步得到树立, 防火玻璃系统技术得到发展, 并已成功应用于海内大型公共建筑幕墙、防火分区、室外幕墙及门窗等建筑部位。
 
2 防火玻璃系统技术
从技术角度讲,在发达国家,玻璃防火被看作为一个系统,要求防火玻璃与框架系统都具有防火功能。我国则存在熟悉上的误区,往往只注重玻璃本身的防火,这也导致我国防火玻璃整体配套水平与发达国家存在一定差距。机能再优异的防火玻璃,假如没有与之相匹配的防火框架和防火密封材料, 就不是完整的防火玻璃系统;反之亦然, 它们之间相辅相成。GB 15763.1一2001《建筑用安全玻璃防火玻璃》第l号修改单就明确划定防火玻璃测试时试样应镶在与实际工程配套使用的框架系统内,等于夸大了不同防火玻璃系统间的耐火机能差异性,这也间接催生了防火玻璃系统技术在我国的发展和逐步走向成熟。
2.1防火玻璃的防火特性及应用现状
按耐火机能,防火玻璃可分为隔热型防火玻璃和非隔热型防火玻璃。隔热型防火玻璃是耐火机能同时知足耐火完整性和耐火隔热性(尺度耐火试验中如背火面均匀温度超过初始温度140 ℃或背火面最高温度超过该点初始温度180 ℃,则以为试件失去隔热性)的防火玻璃,即A 类防火玻璃`非隔热型防火玻璃是耐火机能仅能知足耐火完整性要求的防火玻璃,即C 类防火玻璃。
根据GB15763.1一2009( 建筑用安全玻璃第l部门:防火玻璃》的划定, A类、C类防火玻璃的耐火极限分为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、3.0h五个等级。防火玻璃在进行耐火机能试验时应采用明火加热,使试件受到与实际火灾相似的火焰作用。试验炉炉内温度随时间而变化,其变化规律应知足函数关系:
T-T0= 345 lg(8t+1)
式中:
T—升温到t时刻的均匀炉温,℃;
T0—炉内的初始温度,应在5 ℃-40 ℃范围之内;
t—试验所经历的时间,min 。
需要指出的是, 当防火玻璃用于挡烟垂壁时, 主要受热烟气影响, 其耐火机能要求与尺度耐火试验有一定区别, 一般要求按GB/T9978一2008《建筑构件耐火试验方法》划定的升温前提升温至620℃, 并在620 ℃±20℃温度前提下保持30min时,防火玻璃挡烟垂壁应保持完整性不破坏。
按结构, 防火玻璃可分为复合防火玻璃和单片防火玻璃。目前海内单片防火玻璃主要有两种技术路线:采用综合增强处理的高强度单片防火玻璃和特种防火玻璃(以硼硅酸盐防火玻璃为主) 。复合防火玻璃是在两片玻璃之间凝结一种透明而具有阻燃机能的凝胶,这种凝胶碰到高温时发生吸热分解反应,变为不透明,有阻隔火焰的作用。复合防火玻璃的出产方法分为夹层法和灌浆法两种,其长处是隔热,缺点是不能直接用于外墙,难于深加工,长期紫外线照射下易起泡、发黄甚至失透。与复合防火玻璃比拟,单片防火玻璃的长处是耐候性好、强度高、易于深加工及安装便捷等,但不隔热。单片防火玻璃和复合防火玻璃因机能上的差异在建筑应用上属互补关系。
硼硅酸盐玻璃具有良好的化学不乱性,较高的软化点(约850℃左右) ,较低的热膨胀系数,可用作耐热和防火玻璃,使用这种玻璃作为防火玻璃一般厚度为6mm-8mm为宜,在国外一些发达国家中使用较为广泛。但硼硅酸盐防火玻璃因为熔制温度很高、成形温度高、熔制时硼挥发、易产生硼硅分相等题目以及熔窑耐火材料腐蚀速度快等技术难点,技术门槛及本钱非常高。
除硼硅酸盐防火玻璃外,特种防火玻璃还包括铝硅酸盐防火玻璃、微晶防火玻璃及软化温度高于800 ℃以上的钠钙料优质浮法玻璃等。其共同特点是:玻璃软化点较高,一般均在80℃以上,热膨胀系数低,在强火焰下一般不会因高温而炸裂或变形,尤其是微晶防火玻璃,除具有上述特点外,还具有机械强度高、抗折、抗压强度高及良好的化学不乱性和物理力学机能。但特种材料的防火玻璃(硼、铝硅酸盐防火玻璃,微晶防火玻璃)价格较高,市场较难接受, 目前我国单片防火玻璃技术基本采用平板玻璃物理或化学增强技术来进步玻璃的强度,使玻璃能够承受急热(或急冷)时产生的应力,从而具有防火的功能。

 

高强度单片防火玻璃的耐火机理是通过进步钠钙硅玻璃强度,来抗衡热应力进而避免玻璃表面微裂纹扩展造成的破裂。火灾时玻璃受热膨胀,玻璃整体发生弯曲变形,玻璃受火面的微裂纹受到热应力作用, 逐渐扩展造成玻璃破裂;单片防火玻璃强度极高, 比普通钢化玻璃有更大的预应力,改善了玻璃的抗热应力机能,当玻璃受热膨胀,其表面的高预应力就会抵消产生的热应力, 使微裂纹不再扩展致玻璃破裂,从而保证在火焰冲击下或高温下的耐火机能。当玻璃整体受到的热量大于背火面散失的热量时,玻璃整体温度逐渐升高,沿高度方向,从受火面开始逐渐进人软化区,直到玻璃背火面的粘度不足以支撑玻璃本身的重量时,玻璃整体(或局部)坍塌而失去完整性。
尽管与传统的防火玻璃(如灌浆、复合防火玻璃)比拟、单片防火玻璃有其无可相比的优胜性, 但在发生火灾时, 因为单片防火玻璃不隔热, 其热辐射对防火分区外的可燃、易燃物以及人的安全通过会产生影响,如何使单片防火玻璃在具备通透的外观、保证良好耐火机能的同时具备隔热性成为设计师关注的焦点。研究表明,通过对单片防火玻璃隔断施加自动喷淋保护系统可以解决单片防火玻璃隔热题目。通过在防火玻璃隔断上部边沿位置设置自动水喷淋系统,当火灾发生后玻璃背火面空气温度达到喷淋喷头动作温度时,背火面自动喷淋系统启动,玻璃背火面形成持续水幕,带走了因热传递而使玻璃吸收的热量,使防火玻璃即使在很高的火灾荷载下也能维持较低的温度。有关的试验表明,在自动喷淋保护下,单片防火玻璃系统的隔热机能得到显著改善,热辐射被有效阻隔, 玻璃耐火时间大大延长, 而背火面温度在40 ℃以下,可完全替换防火卷帘。
当防火玻璃框架系统无隔热性要求时,可选用C类防火玻璃。当防火玻璃框架系统有隔热性要求时,可选用A类防火玻璃或C类防火玻璃加水喷淋保护。
 
2. 2防火玻璃框架系统
防火玻璃框架系统主要由防火玻璃、耐火框架和防火密封材料组成,在一定时间内知足耐火完整性或隔热性要求的非承重系统,包括防火玻璃幕墙、防火玻璃门窗、防火玻璃非承重隔墙、防火玻璃挡烟垂壁等。不同的框架系统对防火玻璃的耐火机能有不同影响。纯铝材料强度低,不能承受荷载。在纯铝中加人一定量的Mg,Mn,Si等元素后,可制成强度高的铝合金。铝合金框结构属非燃烧体,在火灾荷载作用下,跟着温度的升高其强度逐渐下降,当温度超过250℃时,其强度急剧下降到原来的二分之一,370 ℃左右抗拉强度几乎全部损失,且铝合金的熔点低(600℃-700 ℃) ,在火灾荷载的作用下,框架系统会很快熔融、垮塌,进而导致火灾蔓延。因此铝型材不能用作抗火结构,只相宜用于30 min以下耐火等级要求的防火隔断、门窗,30min以上的耐火等级通常选器具有抗高温氧化机能的耐热钢型材,钢型材作为一种“轻质高强”的建筑材料,是理想的抗火结构。防火玻璃钢框架为非承重结构,与主体承重钢结构有较大差别, 实践证实它在表面无防火涂料保护的情况下仍可耐火180min及1200℃高温下略有变形但保持完整。而作为承重钢结构在火灾时,因为高温作用,强度损失很快,需要在表面加上混凝土或防火涂料等保护。
理想的框架设计是实现防火玻璃系统耐火机能的枢纽,而在设计中公道地选择防火密封材料是防火系统的保证。占有关资料统计,在火灾中因受烟雾中毒、窒息而死亡的人据有较高的比例, 因此在防火系统中,密封长短常重要的环节。防火玻璃在安装时, 除了钢框架结构, 还需要耐火垫块、防火膨胀密封条、防火密封胶、门窗密封件等系列辅助材料, 这类材料应采用不燃或难燃材料,其燃烧机能应符合现行尺度GB50222一2001《建筑内部装修设计防火规范》、GBJ16一87 《建筑设计防火规范》和GB50045一2005《高层民用建筑设计防火规范》的划定。耐火垫块可采用硅酸钙基或硅酸铝基的不燃材料,安装在防火玻璃的底边钢框架内,起到隔开玻璃和钢构件、支撑玻璃的作用,并防止钢构件导热快、使玻璃边部局部过热而炸裂的情况泛起。防火膨胀密封条一般是基于可膨胀石墨的膨胀机理, 着火时约200℃左右可迅速进行三维膨胀,形成不乱的隔热阻火层,起到防火防烟的作用;防火密封胶一般为单组分中性硅酮胶,主要用于接缝密封,并美化外观。在尺度耐火试验中,假如背火面防火胶着火,会直接导致测试失败。安装方面,防火玻璃与框架不得直接接触,玻璃周围与框架凹槽底部应保持一定的旷地空闲,每块玻璃下部应至少放置两块弹性定位耐火垫块,垫块应能承受该分格玻璃的自重荷载。
2. 2.1防火玻璃幕墙及隔墙
玻璃幕墙的通透性增加了火灾蔓延的途径,火灾时火和烟会沿着幕墙外壁及内侧向临近的楼层蔓延,具有火势蔓延快、烟气活动迅速、疏散扑救难题等特点。防火玻璃幕墙的设计及耐火要求,应遵循GB12513一2006《镶玻璃构件耐火试验方法》、GB15763.1一2009《建筑用安全玻璃第I 部门:防火玻璃》、GA97一1995 《防火玻璃非承重隔墙通用技术前提》等有关划定, 幕墙结构必需与防火玻璃具有同样的耐火机能,同时具有良好的防烟密封机能。防火玻璃幕墙结构上应采用明框形式,不应采用全隐框形式。其防火设计应在不影响其通透性及观赏性的基础长进行,尽量采用防火玻璃及耐火钢框(或钢铝组合框架) 。高精度钢型材有高质量外观及质感, 可独立构成防火玻璃幕墙;钢铝组合防火玻璃幕墙则由防火玻璃(幕墙面板) 、冷弯镀锌钢型材(抗火骨架) 、铝合金型材(装饰面材)及配件组成 , 兼有铝合金玻璃幕墙安装简捷与钢材的耐高温机能、高强度长处,是防火幕墙最优组合。
 
防火玻璃隔墙与防火玻璃幕墙的结构类似,但无竖框防火玻璃隔墙的防火玻璃之间应采用金属点构件,缝隙须采用耐火材料或防火胶等进行处理并知足相应的耐火机能要求。
 
钢铝组合防火玻璃幕墙及隔墙具有优良的建筑效果及较高的经济性。铝合金(6063-T5)强度设计值85.5MPa,弹性模量E=0.7×10的五次方MPa ,钢材(Q235B )强度设计值215MPa ,是铝合金的2.5倍;弹性模量E =2.l×10的五次方M Pa,是铝合金的3.0倍,而有表面防腐处理的钢材价格不到铝合金的1/3。因此,较小截面尺寸的钢材可以形成较大的幕墙分格,增加了玻璃幕墙的通透性;钢型材加铝合金装饰盖,在外观上与铝合金型材一样美观大方,具有较好的建筑效果;施工上可以沿用铝合
金玻璃幕墙的施工方法, 避免了钢型材施工需要现场电焊、喷漆的麻烦;产品系列化、系统化;此外,多种明框盖板型材、多种五金及密封配件可通用互换,安装简便。
2.2.2钢质防火门窗
近年来央视大楼、沈阳皇朝万鑫等高层建筑火灾带给人们的反思,除了建筑物外围护结构所选定的保温材料必需具有可靠的防火机能外,莫过于火灾向高空迅速蔓延时, 消防救援设备受高度所限导致的无法救援, 这就需要在倡导建筑节能减排的同时, 强化建筑物的自救措施。这里的自救措檀越要有两种:主动自救措施和被动自救措施。主动性措施指直接限制火灾发生和发展的技术, 如火灾探测报警技术、喷水灭火等;被动性措施指进步或增强建筑构件或材料承受火灾破坏能力的技术,如进步建筑构件耐火机能的技术等。这些完善的自救措施,比消防队员更能应付突发火灾。门窗作为建筑物外围护的启齿部位,是建筑消防举措措施必不可少的一环,其防火机能已成为防止高层建筑火焰层间蔓延的枢纽因素,防火门窗质量的好坏直接影响建筑物抗御火灾的能力。钢质防火门窗是一种薄壁、截面面积大、外形复杂的空腹结构, 这种钢结构特别适合采用连续冷弯出产。海内传统的钢质防火门窗因为受技术和设备的限制,一般均采用多个部件分别进行冷轧后再焊接而成,这种出产方式的钢框架一个显著的弊端是框架的出产需要经由多个人工步骤,产品因为焊接热变形后精度不高,并且难以加工出产复杂断面的门窗型材。钢质防火门窗型材冷弯成型技术是一种节省材料、节约能源、高效率的金属成型工艺,它是采用优质的热轧或冷轧钢材作为原材料,常温下经拉拔、冲压、折弯或辊式弯曲成型机组加工而成。其成品出产工艺包括:冷弯材料预备、开卷工艺、矫平工艺、成型工艺、焊接工艺、堵截收集工艺等。基于成熟的冷弯成型基础理论支持,利用CAD/CAM对钢质防火门窗进行产品工艺设计以及冷弯设备的辊型设计,出产出的钢质防火型材具有产品外观精度高、断面尺寸精度高、机械机能良好、重量轻等特点。同时。通过其空腹结构设计,能降低门窗框架吸热速度,进一步进步其防火时间,使得钢质防火门窗防火机能与防火玻璃防火机能更加配套,充分施展防火门窗整体防火机能。传统以为钢门窗的结构截面小、强度低,实际上则恰恰相反,以门窗的主受力构件中立挺为例,在中立挺的抗风压强度计算中,常常采用以下材料力学公式:
[σ] ≤M/W
[σ]—材料的许用应力;
M—作用于主受力构件上的弯矩;
W—材料截面的抵挡距。
W=I/Y
式中:I—型材截面的主惯性矩;
Y—型材截面型心距主惯性矩轴方向外轮廓面两个间隔的最大值。
钢材的许用应力是[σ] =210 MPa;铝合金的许用应力是[σ] =70 MPa,正好是3倍之差。因为[σ]与I呈线性关系,当作用于主受力构件上的弯矩一定,使用钢质型材时,截面的主惯性矩仅需铝合金型材的1/3即可,而铝型材的厚度需要达到钢质型材的3倍才能承受相同的荷载。
目前,国家在大举推行建筑外墙保温的节能举措,然而在当前大部门建筑保温材料燃烧机能未达到A级的情况下,采用防火玻璃门窗与目前尚在大量使用的(例如B1、B2级)外墙保温材料结合应用的方案,是阻止火灾蔓延、减少火灾破坏、为生命和财产提供保障的一个经济、有效的解决方法。当高层建筑外墙发生火灾时,防火玻璃门窗可以有效阻止火势和烟雾向建筑内部蔓延及渗透渗出,避免了普通门窗玻璃受火破裂后成为燃烧通道,引发内部火灾并演变成复合型火灾,保障建筑内部的生命和财产安全。
前期央视热播的《超级工程》,上海中央大厦给人留下了深刻的印象,该建筑的设计方案由美国Gensler建筑设计事务所完成,主体建筑结构高度为580 m,总高度632 m,总投入超过148亿元,将于2015年全面建成并启用,成为世界第一绿色摩天高楼。上海中央大厦内幕墙系统是目前在建高层建筑工程中最为复杂的建筑幕墙系统之一,首次使用了从未泛起在350 m以上超高层建筑中的双层玻璃幕墙,幕墙类型主要为单元式、框架式防火玻璃幕墙系统,而内幕墙所碰到的防火技术挫折也是史无前例的,上海中央大厦的内幕墙工程是真正意义上的防火玻璃幕墙,该项目将使用近10万m2的单片防火玻璃,并配以精密钢铝型材支架系统。
上海中央大厦的内外幕墙之间,形成超大空间的中庭结构(图3),中庭自上至下分为7段,作为防火分隔举措措施的防火幕墙位于内幕墙,其作用是通过防火幕墙这道防火分隔使不同的楼层形成独立封锁的防火分区,进而防止火焰的层间蔓延。内幕墙防火设计的依据是国家规范对中庭有相关划定,即中庭与建筑内部的防火分隔举措措施为幕墙体系时,作为防火分隔举措措施建筑维护构件其耐火极限不应低于1.0 h并设置自动喷水灭火系统进行保护。
上海中央大厦庭体量大,最高达到61.9 m,在机能化评估阶段,根据中庭大体量对烟气的容纳、缓冲作用,其在真实火灾前提下的受火面积及影响与尺度试验有一定区别(图4):内幕墙温度较高的区域(B8幕墙系统),火灾时不仅受烟气影响,而且直接暴露在火源辐射范围内;其它区域(B1幕墙系统)鉴于离火源较远,FDS模拟中显示除顶部受到烟气影响外,B1幕墙系统在8 MW火灾荷载下温度均在240 ℃以下,温度较低。考虑到这些差异,在确定B1幕墙测试方案时,最初是考虑采用等效曝火时间或选取接近实际火灾的前提进行实验:
①采用尺度实验炉进行测试。等效曝火时间为中10min(基于尺度实验曲线函数及8 MW火灾升温函数,求积分计算得出),若等效曝火时间内构件能维持完整性,即以为在模拟的8 MW火灾下,阔别火源的构件能保持完整性;
②模拟实际火场设置实验参数。参考相关实验数据,单位面积油盘火的火灾规模达到1.37MW,本项目8MW火灾可按6m油盘火考虑,构件离火源最近间隔按10 m设计,实验时间为1 h,观测构件能否在1 h内保持完整性。
设计团队终极确定,B1幕墙系统采用尺度耐火试验前提,升温到240 ℃恒温1 h;B8幕墙仍采用尺度耐火试验,耐火时间1 h。
经充分论证及大量试验验证,对于1 h防火要求的上海中央内幕墙,B1幕墙系统终极采用铝合金幕墙外加室内喷淋保护,玻璃采用夹层中空防火玻璃,即外片采用6 mm超白半钢化玻璃+0.89 SGP夹胶层+6mm超白半钢化玻璃(出于防玻璃自爆考虑),内片采用8 mm超白防火玻璃; B8幕墙系统终极采用精密钢铝型材结构(图5、图6),玻璃采用双面中空防火玻璃,即中空玻璃的内外片均采用8mm超白防火玻璃,整个防火幕墙系统可以提供完整、对称防火功能,不再设置喷淋保护系统。
 
3 结语
防火玻璃及系统技术是建筑防火的重要环节,而理想的框架设计是实现防火玻璃系统耐火机能的枢纽,以防火玻璃及钢型材(或钢铝结合型材)为主体的防火玻璃系统可知足建筑门窗、幕墙和隔墙等的不同防火要求,跟着全社会对建筑防火题目的愈发正视,防火玻璃及框架系统已开始在上海中央大厦这一标志性建筑得到突破性应用,这也预兆着我国防火玻璃及系统技术的良好发展空间和远景。

 

 
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点击次数:  更新时间:2016-12-09 11:21:40

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