CN102797291A - 一种耐高温的建筑钢结构 - Google Patents

Abstract

一种耐高温的建筑钢结构,涉及建筑领域，用以解决火灾中钢结构强度降低的问题。它包括结构为H型或C型的建筑型钢，所述的建筑型钢上沿长度方向设有用于传热的热管，所述的热管与建筑型钢之间具有传热结合面，热管的蒸发段位于室内，热管的冷凝段位于室外，在热管的冷凝段设有冷却水喷淋系统。本发明不仅能够防止和延缓钢结构性能降低，避免或降低建筑物受损程度，同时为建筑物中的人员争取宝贵的逃生时间。

Description

一种耐高温的建筑钢结构

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别是涉及一种耐高温的建筑钢结构。当钢结构房屋发生火灾时，可防止或延缓房屋钢结构强度因高温而降低造成钢结构坍塌并危及人员生命。

背景技术

根据《民用建筑设计通则》，高于24米或超过10层的建筑属于高层建筑。随着经济发展，又涌现出一批高于100米的建筑，它们被称为超高层建筑，公众习惯将其称为“摩天大楼”。高层建筑——尤其是外观怪异的高层建筑，一般是钢结构建筑或部分采用钢结构。

常用的建筑结构钢为Q235、Q345等，由于钢材中的碳在高温条件下造成脱碳，造成钢材强度降低，长期处在高温环境中（600℃-900℃）会造成钢材中铁元素的氧化，完全丧失钢材的性能，当温度高于钢材熔点时，会造成钢结构熔化坍塌。

对于这些摩天大楼，尽管钢结构具备主体结构比较轻、建造快、现场施工量小的优点，但其致命弱点是怕火，虽然钢本身并不燃烧，但普通钢材在600℃的环境下，强度就很差，根本无法支撑建筑物重量。所以，钢结构安装后会在表面喷涂一层厚厚的防火涂料，一般涂料保证的耐火时限为2～3小时，以供建筑内部的人员逃生。一旦大火烧过，钢结构往往严重受损。

例如，2001年9月11日，美国世贸中心双塔被恐怖份子用民航客机自杀式撞击最终倒塌。一架起飞重量160吨，满挂油料是45吨的波音767型飞机，撞击北塔；18分钟后，另一架起飞重量100吨，满挂油料是30吨的波音757型飞机，撞击南塔。刨除飞行消耗，双塔被撞时各被浇灌了小于30多吨高燃值的航空燃油，燃烧时高达1000℃的高温，使钢结构变软，钢结构承受不了上面的重量，瞬间倒塌。

再如，2009年2月9日，在建的中国中央电视台新台址园区文化中心发生特别重大火灾事故。造成直接经济损失巨大，要想保证整个大楼的结构，首先必须补偿因受火灾导致的钢结构强度降低的问题。为了增加钢结构的强度，不得不耗费巨资，采用多层碳纤维的方式，在尽量减轻结构重量的前提下、补偿钢结构的强度。

目前解决钢结构的抗高温能力，主要从提高钢结构耐火极限和迅速降低火场温度两方面考虑，主要方法有：1、阻隔温度，提高钢结构耐火极限，钢结构防火主要采用防火涂料、发泡防火漆和外包防火层等方法。2、迅速排烟，降低火场温度。无论采用哪种方式都是采用被动保护的方式或者改变外围环境条件力图解决钢结构的抗高温能力，这两种方式一是无法从根本上解决钢结构的抗高温能力，二是还受到灭火时间的限制，一般钢结构耐火时限为2-3小时，如果灭火时间太长，所有的保温材料的温度与钢结构的温度将趋于极限，防护能力都会大大削弱，钢结构的强度降低或丧失金属强度造成钢结构坍塌。此外，钢结构建筑物一旦失火，还不能用水直接灭火，如果救火时浇水，对其破坏将更加严重。钢结构高层建筑即使发生不大的火灾，技术上也必须拆除才能保证安全。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种耐高温的建筑钢结构，建筑钢结构不仅具有钢结构的结构强度作用，而且具有主动传热、散热的特性，能防止和延缓在火灾中钢结构强度降低，避免或降低建筑物受损程度，同时为建筑物中的人员争取宝贵的逃生时间。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种耐高温的建筑钢结构，包括结构为H型或C型的建筑型钢，其特征是所述的建筑型钢上沿长度方向设有用于传热的热管，所述的热管与建筑型钢之间具有传热结合面，热管的蒸发段位于室内，热管的冷凝段位于室外，在热管的冷凝段设有冷却水喷淋系统。

所述的热管为重力热管或内壁加吸液芯的热管。

所述的热管与建筑型钢为一体式，建筑型钢是热管的一部分。

所述的热管与建筑型钢为分体式，外加热管被固定在建筑型钢上，在传热结合面上涂有导热硅脂。

所述的建筑型钢包括钢立柱和钢梁。

所述的钢立柱和钢梁具有各自独立的热管。

所述的钢立柱和钢梁具有一体式的连体热管。

在热管的冷凝段设有散热鳍片。

所述的热管具有一个平面作为传热结合面，该热管的平面部分与建筑型钢的一个平面接触。

所述的冷却水喷淋系统，包括水泵、水泵与喷淋头之间的连接管路，在冷凝段的热管壁上设置有温度传感器，所述的传感器发出信号控制与其电连接的水泵开启和关闭。

本发明的有益效果是:

本发明提供了一种应用热管防止和延缓在火灾中钢结构强度降低的装置，当钢结构房屋发生火灾导致房屋钢结构强度降低时，利用热管将钢结构的热量传递到建筑外部，通过水冷将热量放散到环境中，防止或延缓房屋钢结构强度降低的装置。本发明不仅能够防止和延缓钢结构性能降低，避免或降低建筑物受损程度，同时为建筑物中的人员争取宝贵的逃生时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1）该装置既具有钢结构的作用，又具有热管主动传热、无动力传热和散热的特性，为一种复合型钢结构型材。

2）该装置解决了在钢结构建筑内部失火时，不能采用喷水灭火的问题，又解决了失火时一般钢结构耐火时限超过2-3小时引起钢结构强度降低会丧失结构强度造成钢结构坍塌的问题，属于一次投入，常年收益。

3）在散热段管壁上设置温度传感装置和自动喷水系统实现火灾发生时对建筑型钢的自动降温，火灭时恢复常态的功能。

4）无论采用一体式还是采用分离式的热管，在防止和延缓房屋钢结构强度减弱的同时，又加强了房屋钢结构自身的强度，使钢结构更加稳固。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明，

图1为本发明系统图；

图2为本发明实施例一分离式型材结构图；

图3为本发明实施例二一体式结构之半圆形热管型材结构图；

图4为本发明实施例三一分体式结构之矩形热管型材结构图；

图中，1钢立柱，2第一热管，20传热工质腔体，21第一热管冷凝端，22第一热管测温点，3第二热管，31第二热管冷凝端，32第二热管测温点，4第三热管，41第三热管冷凝端，42第三热管测温点，5第四热管，51第四热管冷凝端，52第四热管测温点，6冷却水喷淋系统，7钢梁。

具体实施方式

如图1，一种耐高温的建筑钢结构，包括结构为H型或C型的建筑型钢，所述的建筑型钢包括钢立柱1和钢梁7。所述的建筑型钢上沿长度方向设有用于传热的热管，以左右两侧的钢立柱1和钢梁7为例，在左侧钢立柱1上设有第一热管2，在左侧钢梁7上设有第二热管3，第一热管2和第二热管3在钢梁7的部分平行延伸穿出屋顶之室外；同样，在右侧钢立柱上设有第三热管4，在左侧钢梁上设有第四热管5，第三热管4和第四热管5在钢梁的部分平行延伸穿出屋顶之室外.

所述的各热管可采用重力热管或内壁加吸液芯的热管。其原理是：在由金属管壳密闭的腔体内设有传热工质（纯水或其他传热工质），热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，当热管的一端受热时，传热工质蒸发将热量迅速传递到冷凝段，传热工质的热量在冷凝成释放后变成液体，在重力的作用下回流到蒸发段，形成循环往复的传热过程。

所述的热管与建筑型钢之间具有传热结合面。热管的蒸发段位于室内，热管的冷凝段（包括第一热管冷凝端21，第二热管冷凝端31，第三热管冷凝端41，第四热管冷凝端51）均位于室外，在热管的冷凝段设有冷却水喷淋系统6。

当钢结构房屋发生火灾导致房屋立柱、钢梁等钢结构强度降低时，利用热管将钢结构的热量传递到建筑外部，通过水冷将热量放散到环境中，防止或延缓房屋钢结构强度因高温而降低的装置。

如图2，所述的热管与建筑型钢为分体式，以第一热管2为例，外加的第一热管2被固定在H型建筑立柱钢1上，第一热管2为具有独立的传热工质腔体20，第一热管2具有一个平面作为传热结合面，其他面可以是矩形、半圆形或其它形状。该热管的平面部分与建筑型钢的一个中间平面接触，结合方式是第一热管2平面向两侧伸出的带固定孔的板与H型建筑立柱钢的一个平面的孔通过螺栓23或焊接方式固定。为降低该热管与型钢之间的接触热阻，两个界面之间涂有导热硅脂。另一种结合方式是通过抱箍+螺栓将第一热管2和H型建筑立柱钢1紧固在一起。

分体式使用的热管可单独制作、到现场安装，适于对钢结构建筑现场改造，属于后加型或改造型。

图3为本发明实施例二一体式结构之半圆形热管型材结构图；仍以第一热管2为例。所述的热管与建筑型钢为一体式，建筑型钢是热管的一部分。半圆形的第一热管2与H型建筑立柱钢1之间焊接而围成具有传热工质腔体20的热管。一体式的结构需要在钢结构厂将型钢做成具有热管功能的建筑构件，到现场安装。

图4为本发明实施例三一体式结构之矩形热管型材结构图；与图3不同之处在于，热管的形状和焊接位置的差异。

新建钢结构建筑选用一体式结构、新建筑物设计时直接进行设计选型。在制作一体式具有热管功能的型钢时：热管内壁与型钢同时做脱脂、除锈、钝化处理，尤其是在做热管内壁钝化处理后，在表面形成致密的氧化膜，使得传热工质与腔体的相容性较钝化之前的大大提高，使用寿命长。

钢立柱和钢梁可以如图1所示设置各自独立的热管，也可将钢立柱和钢梁设计成具有一体式的连体热管。

所述的冷却水喷淋系统，包括水泵、水泵与喷淋头之间的连接管路，在冷凝段的热管壁上设置有温度传感器，所述的传感器发出信号控制与其电连接的水泵开启和关闭。在热管的冷却段上方设有多个喷淋水装置，喷淋装置与水泵相连。热管在温差作用下工作，在蒸发段，工质吸热蒸发，将热量迅速传递到冷凝段，将钢结构的温度降低，在冷凝段遇到水后，工质冷凝后在重力作用返回到蒸发段，把钢结构吸收到的热量源源不断地传导出去，完成传热过程。冷凝段遇到冷水后，将冷水加热变成高温水和蒸汽，将热量扩散到环境中，完成散热过程。确保钢结构温度远低于其性能改变的温度，保证了钢结构的强度。在热管冷凝段或蒸发段设有温度传感器（在第一热管测温点22，第二热管测温点32，第三热管测温点42和第四热管测温点52处均设有温度传感器），与传感器相连设有一套控制系统。当冷却段的温度超过设定温度时，（设定温度=房顶受阳光辐射时的最高温度+30℃），传感器发出信号启动水泵电机启动，开始喷水；当火熄灭后，温度传感器恢复到断开状态，水泵停止工作。喷淋用水采用原有消防水池内的水或其他方便的水源。

为提高同样长度冷凝散热段的散热能力，可在热管表面焊接散热鳍片，扩大散热面积，增强散热能力，缩小散热段占用空间。

热管的蒸发段和冷凝段的面积合理匹配，依据是建筑物内可燃物的多少，诸如室内的易燃品、可燃物量较多，可以适当增长冷凝段长度，增大水泵功率和喷水量，以便火灾发生时快速降温。

制作热管采用的钢材与型钢的材质均为同一类碳钢，相容性和焊接性能良好，热管按照热管的制造工艺和技术要求制作。热管的优点在于：（1）、具有很高的导热性和相当大的传热能力，与银、铜等金属相比，单位重量的的热管可传递的几个数量级的热量；（2）、启动速度快，在温差的作用下传热速度可达每秒几米到十几米，且不需外界动力，只需蒸发段和冷凝段的温差启动；（3）、均温性能良好；（4）、可实现远距离热量传输，可以实现几十米到百米以上的远距离无动力传热。

具有热管性能的型钢施工：一体式结构型钢和热管是一体的，是一种增强型的型钢，分离式结构所使用的热管是附着在钢结构上，在施工时可以按照建筑施工规范进行钢结构施工。

Claims (10)

1.一种耐高温的建筑钢结构，包括结构为H型或C型的建筑型钢，其特征是所述的建筑型钢上沿长度方向设有用于传热的热管，所述的热管与建筑型钢之间具有传热结合面，热管的蒸发段位于室内，热管的冷凝段位于室外，在热管的冷凝段设有冷却水喷淋系统。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的热管为重力热管或内壁加吸液芯的热管。

3.根据权利要求1或2所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的热管与建筑型钢为一体式，建筑型钢是热管的一部分。

4.根据权利要求3所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的热管与建筑型钢为分体式，外加热管被固定在建筑型钢上，在传热结合面上涂有导热硅脂。

5.根据权利要求3所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的建筑型钢包括钢立柱和钢梁。

6.根据权利要求5所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的钢立柱和钢梁具有各自独立的热管。

7.根据权利要求5所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的钢立柱和钢梁具有一体式的连体热管。

8.根据权利要求1所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，在热管的冷凝段设有散热鳍片。

9.根据权利要求1所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的热管具有一个平面作为传热结合面，该热管的平面部分与建筑型钢的一个平面接触。

10.根据权利要求1所述的一种耐高温的建筑钢结构，其特征是，所述的冷却水喷淋系统，包括水泵、水泵与喷淋头之间的连接管路，在冷凝段的热管壁上设置有温度传感器，所述的传感器发出信号控制与其电连接的水泵开启和关闭。

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