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冷彎鋼質(zhì)防火門窗
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提要:本文介紹了冷彎鋼質(zhì)防火門窗的冷彎生產(chǎn)工藝特點，并對其強度、以及和防火玻璃配合后的整體防火性能、節(jié)能性逐一進行介紹。
關(guān)鍵詞:鋼質(zhì)門窗 防火門窗 冷彎 防火玻璃 強度 節(jié)能 |
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本文作者：邱速希 林培浩 肖堅偉
1 前言
玻璃被作為建筑材料,多用于門、窗、采光帶、玻璃幕墻等建筑結(jié)構(gòu)，近年來隨著玻璃性能的不斷改善, 越來越多的建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在工程中利用玻璃來實現(xiàn)建筑物更亮、更輕、更美的高科技效果,增強城市的現(xiàn)代化氣息。玻璃在力學(xué)性能上有點像混凝土, 耐腐蝕性能很強，是一種脆性材料,抗壓性能好、抗拉性能差,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線性,彈性模量在70~73GPa 之間,約為鋼材彈性模量的三分之一。玻璃的強重比要優(yōu)于普通鋼材,同時,玻璃的熱膨脹系數(shù)為 9×106,與鋼材相近,這使得鋼材和玻璃能夠用于同一結(jié)構(gòu),發(fā)揮各自特長， 目前隨著特種玻璃生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟，大量高強、防火的特種玻璃應(yīng)用到建筑外墻門窗中，不但要起到玻璃的裝飾作用，還要起到防火的作用，這就對其承載的金屬框架提出了更高的要求。為配合特種玻璃性能特點，一般要求金屬框架具有高強、防火、材質(zhì)輕易加工等性能指標(biāo)。而且隨著建筑門窗越來越大，對建筑門窗的結(jié)構(gòu)形式也提出了更高的要求。綜上所述，大多數(shù)鋁合金和塑鋼框架已經(jīng)無法滿足特種玻璃的使用要求，鋼質(zhì)防火金屬門窗是此類應(yīng)用的最佳選擇。
鋼質(zhì)防火門窗是一種薄壁、截面面積大、形狀復(fù)雜的空腹結(jié)構(gòu)，這種鋼結(jié)構(gòu)特別適合采用連續(xù)冷彎生產(chǎn)。所謂冷彎成形技術(shù)是一種節(jié)省材料、節(jié)約能源、高效率的金屬成型工藝，它通過順序配置的多道次成型軋輥，把板材連續(xù)地橫向彎曲，能夠加工出力學(xué)性能好、表面質(zhì)量高、尺寸精確的高附加值產(chǎn)品，該生產(chǎn)多為在室溫下成型，很方便與沖、鉚、焊等工藝相結(jié)合，形成多工藝組合生產(chǎn)線，實現(xiàn)精密生產(chǎn)目的。
二十世紀八十年代前，鋼質(zhì)門窗在我國金屬門窗中盛行一時[1]，隨著國家對建筑防火，特別是高層建筑防火的重視，以及《高層民用建筑防火規(guī)范》對建筑防火設(shè)計的要求，可以想象，具有防火性能、強度高、產(chǎn)品精密的鋼質(zhì)防火門窗將再次得過廣泛的應(yīng)用。
2 冷彎成型特點
國內(nèi)傳統(tǒng)的鋼質(zhì)防火門窗由于受技術(shù)和設(shè)備的限制，一般均采用多個部件分別進行冷軋后再焊接而成，加工生產(chǎn)方式的鋼框架一個明顯的弊端是框架的生產(chǎn)需要經(jīng)過多個人工步驟，產(chǎn)品由于焊接熱變形后精度不高，并且難以加工生產(chǎn)復(fù)雜斷面的門窗型材。
冷彎型鋼一般是以熱軋或冷軋鋼作原材料，在常溫狀態(tài)下，經(jīng)過拉拔、沖壓、折彎或輥式彎曲成型機組加工而成。其成品生產(chǎn)工藝包括：冷彎材料準(zhǔn)備、開卷工藝、矯平工藝、成型工藝、焊接工藝、切斷收集工藝等。通過成熟的冷彎成型基礎(chǔ)理論支持下，利用CAD/CAM對鋼質(zhì)防火門窗進行產(chǎn)品工藝設(shè)計以及冷彎設(shè)備的輥型設(shè)計，生產(chǎn)出的鋼質(zhì)防火型材具有產(chǎn)品外觀精度高、斷面尺寸精度高、機械性能良好、重量輕等特點。
3 鋼質(zhì)防火門窗防火性能
對于建筑防火幕墻、防火隔斷或防火門窗，構(gòu)件防火均為一個系統(tǒng)，防火玻璃在沒有支持框架或支持結(jié)構(gòu)防火性能差，將會由于失去支持后在重力的作用下自行脫落，構(gòu)件整體將喪失防火性能。《防火玻璃框架系統(tǒng)設(shè)計施工及驗收規(guī)范》規(guī)定防火檢測試件的材質(zhì)、構(gòu)造、安裝施工方法應(yīng)與實際工程相同，其尺寸也應(yīng)為實際工程使用的防火玻璃板塊最大尺寸[4]，這個規(guī)定也明顯的表明，防火構(gòu)件應(yīng)當(dāng)是作為一個系統(tǒng)進行檢測和應(yīng)用。
鋼質(zhì)防火門窗采用優(yōu)質(zhì)的冷軋鋼材作為原材料，其熔點接近1500℃，不僅其熔點遠遠高于鋁合金的650℃，并且通過其空腹結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低門窗框架吸熱速度，進一步提高其防火時間，使得鋼質(zhì)防火門窗防火性能與防火玻璃防火性能更加配套，充分發(fā)揮防火門窗整體防火性能。
圖2和圖3分別為鋼質(zhì)防火框架配合防火玻璃以及鋁合金門框配合防火玻璃根據(jù)根據(jù)《鑲玻璃構(gòu)件耐火試驗防火》[5]進行測試，鋼質(zhì)防火門窗在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下60min后依然保存完好，鋁合金門窗在標(biāo)準(zhǔn)測試條件進行15min后，鋁合金窗框開始熔化脫落，并在18min后完成脫落，防火玻璃失去支撐，門窗系統(tǒng)失去防火隔煙霧功能。
4 鋼質(zhì)防火門窗強度
傳統(tǒng)認為鋼門窗的結(jié)構(gòu)截面小，強度低，實際上，鋼型材的強度遠大于目前廣泛應(yīng)用的鋁合金，以門窗的主受力構(gòu)件中立挺為例，在中立挺的抗風(fēng)壓強度計算中，經(jīng)常采用以下材料力學(xué)公式：
鋼材的許用應(yīng)力是[σ]=210；鋁合金的許用應(yīng)力是[σ]=70，正好是三倍之差。由于[σ]與Iz呈線性關(guān)系， 當(dāng)作用于主受力構(gòu)件上的彎矩一定，使用鋼質(zhì)型材時，截面的主慣性矩僅需鋁合金型材的三分之一即可。從圖4可以看出，鋁型材的厚度需要達到鋼質(zhì)型材的3倍才能承受相同的荷載。
5、鋼質(zhì)防火門窗節(jié)能性
在確保鋼質(zhì)防火門窗防火性能的情況下，利用美國勞倫斯－貝克利國家實驗室（lbl）的門窗計算軟件thermal和windows或廣東省建筑科學(xué)研究院的建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件對鋼質(zhì)防火門窗的斷面、結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，充分提高鋼質(zhì)防火門窗的建筑節(jié)能性，使其優(yōu)于鋁合金門窗，并達到或接近斷熱鋁合金門窗一樣的節(jié)能性。
對一個尺寸為2000mm×1600mm的鋼質(zhì)防火門窗（如圖5）根據(jù)建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法[6]進行節(jié)能分析，其結(jié)果如下：
6、密封性能
經(jīng)過精密設(shè)計并采用冷彎成型的鋼質(zhì)防火門窗，其產(chǎn)品精密度高、平整度好，配合專用的防火密封材料，利用精湛的門窗組裝技術(shù)，產(chǎn)品具有良好的水密性和氣密性。
多點鎖以及為安裝防火多點鎖而設(shè)計的鎖槽和雙重密封膠條有效的解決了鋼質(zhì)防火門窗的密封性問題。
7、結(jié)束語
現(xiàn)行《高層民用建筑防火設(shè)計規(guī)范》中的考慮800mm高[7]的防火窗檻墻所考慮的是建筑內(nèi)部火災(zāi)，2009年央視火災(zāi)和2010年上海膠州路事件表明，建筑防火不僅應(yīng)該關(guān)注于建筑內(nèi)部火災(zāi)，并且也應(yīng)該重視建筑外部火災(zāi)，因此相信未來隨著對外部火災(zāi)的重視，具有良好防火性能的鋼質(zhì)防火門窗將會得到廣泛的應(yīng)用，另一方面，隨著鋼質(zhì)防火門窗冷彎生產(chǎn)技術(shù)的成熟和門窗設(shè)計技術(shù)的不斷優(yōu)化，鋼質(zhì)方面門窗也具有良好的隔熱性能和密封性能，完全能達到鋁合金、塑鋼門窗的性能，從經(jīng)濟性而言，對比鋼質(zhì)型材和鋁合金型材的價格以及其型材厚度，鋼質(zhì)防火門窗也具有明顯的優(yōu)勢。
參 考 文 獻
[1] 陳昌業(yè).為什么鋼門窗在國內(nèi)被冷落.鋼木門窗,2006(10):30-34
[2] 徐尚義.現(xiàn)代輥式冷彎成型生產(chǎn)技術(shù)的新發(fā)展.鋼管,1995(3):16-20
[3] 楊明珠,李濤.冷彎成型工藝分析及問題.考試周刊,2008(45)
[4] 防火玻璃框架系統(tǒng)設(shè)計施工及驗收規(guī)范,DBJ 11-624-2006
[5] 鑲玻璃構(gòu)件耐火試驗方法,GB 12513-2006,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006
[7] 建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法,GB/T 8484-2008,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008
[8] 高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范,GB 50045-2005,中國計劃出版社,2005
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