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冷彎鋼質防火門窗
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| 來源:2011年會論文集 作者:邱速希 日期:2011-5-5
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提要:本文介紹了冷彎鋼質防火門窗的冷彎生產工藝特點，并對其強度、以及和防火玻璃配合后的整體防火性能、節能性逐一進行介紹。
關鍵詞:鋼質門窗 防火門窗 冷彎 防火玻璃 強度 節能 |
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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、玻璃幕墻等建筑結構，近年來隨著玻璃性能的不斷改善, 越來越多的建筑師和結構工程師在工程中利用玻璃來實現建筑物更亮、更輕、更美的高科技效果,增強城市的現代化氣息。玻璃在力學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,應力應變關系表現為線性,彈性模量在70~73GPa 之間,約為鋼材彈性模量的三分之一。玻璃的強重比要優于普通鋼材,同時,玻璃的熱膨脹系數為 9×106,與鋼材相近,這使得鋼材和玻璃能夠用于同一結構,發揮各自特長， 目前隨著特種玻璃生產技術的日趨成熟，大量高強、防火的特種玻璃應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、材質輕易加工等性能指標。而且隨著建筑門窗越來越大，對建筑門窗的結構形式也提出了更高的要求。綜上所述，大多數鋁合金和塑鋼框架已經無法滿足特種玻璃的使用要求，鋼質防火金屬門窗是此類應用的最佳選擇。
鋼質防火門窗是一種薄壁、截面面積大、形狀復雜的空腹結構，這種鋼結構特別適合采用連續冷彎生產。所謂冷彎成形技術是一種節省材料、節約能源、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，把板材連續地橫向彎曲，能夠加工出力學性能好、表面質量高、尺寸精確的高附加值產品，該生產多為在室溫下成型，很方便與沖、鉚、焊等工藝相結合，形成多工藝組合生產線，實現精密生產目的。
二十世紀八十年代前，鋼質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范》對建筑防火設計的要求，可以想象，具有防火性能、強度高、產品精密的鋼質防火門窗將再次得過廣泛的應用。
2 冷彎成型特點
國內傳統的鋼質防火門窗由于受技術和設備的限制，一般均采用多個部件分別進行冷軋后再焊接而成，加工生產方式的鋼框架一個明顯的弊端是框架的生產需要經過多個人工步驟，產品由于焊接熱變形后精度不高，并且難以加工生產復雜斷面的門窗型材。
冷彎型鋼一般是以熱軋或冷軋鋼作原材料，在常溫狀態下，經過拉拔、沖壓、折彎或輥式彎曲成型機組加工而成。其成品生產工藝包括：冷彎材料準備、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理論支持下，利用CAD/CAM對鋼質防火門窗進行產品工藝設計以及冷彎設備的輥型設計，生產出的鋼質防火型材具有產品外觀精度高、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，構件防火均為一個系統，防火玻璃在沒有支持框架或支持結構防火性能差，將會由于失去支持后在重力的作用下自行脫落，構件整體將喪失防火性能。《防火玻璃框架系統設計施工及驗收規范》規定防火檢測試件的材質、構造、安裝施工方法應與實際工程相同，其尺寸也應為實際工程使用的防火玻璃板塊最大尺寸[4]，這個規定也明顯的表明，防火構件應當是作為一個系統進行檢測和應用。
鋼質防火門窗采用優質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℃，并且通過其空腹結構設計，降低門窗框架吸熱速度，進一步提高其防火時間，使得鋼質防火門窗防火性能與防火玻璃防火性能更加配套，充分發揮防火門窗整體防火性能。
圖2和圖3分別為鋼質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根據《鑲玻璃構件耐火試驗防火》[5]進行測試，鋼質防火門窗在標準測試條件下60min后依然保存完好，鋁合金門窗在標準測試條件進行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，門窗系統失去防火隔煙霧功能。
4 鋼質防火門窗強度
傳統認為鋼門窗的結構截面小，強度低，實際上，鋼型材的強度遠大于目前廣泛應用的鋁合金，以門窗的主受力構件中立挺為例，在中立挺的抗風壓強度計算中，經常采用以下材料力學公式：
鋼材的許用應力是[σ]=210；鋁合金的許用應力是[σ]=70，正好是三倍之差。由于[σ]與Iz呈線性關系， 當作用于主受力構件上的彎矩一定，使用鋼質型材時，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型材的3倍才能承受相同的荷載。
5、鋼質防火門窗節能性
在確保鋼質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或廣東省建筑科學研究院的建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件對鋼質防火門窗的斷面、結構進行優化設計，充分提高鋼質防火門窗的建筑節能性，使其優于鋁合金門窗，并達到或接近斷熱鋁合金門窗一樣的節能性。
對一個尺寸為2000mm×1600mm的鋼質防火門窗（如圖5）根據建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法[6]進行節能分析，其結果如下：
6、密封性能
經過精密設計并采用冷彎成型的鋼質防火門窗，其產品精密度高、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，產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計的鎖槽和雙重密封膠條有效的解決了鋼質防火門窗的密封性問題。
7、結束語
現行《高層民用建筑防火設計規范》中的考慮800mm高[7]的防火窗檻墻所考慮的是建筑內部火災，2009年央視火災和2010年上海膠州路事件表明，建筑防火不僅應該關注于建筑內部火災，并且也應該重視建筑外部火災，因此相信未來隨著對外部火災的重視，具有良好防火性能的鋼質防火門窗將會得到廣泛的應用，另一方面，隨著鋼質防火門窗冷彎生產技術的成熟和門窗設計技術的不斷優化，鋼質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，從經濟性而言，對比鋼質型材和鋁合金型材的價格以及其型材厚度，鋼質防火門窗也具有明顯的優勢。
參 考 文 獻
[1] 陳昌業.為什么鋼門窗在國內被冷落.鋼木門窗,2006(10):30-34
[2] 徐尚義.現代輥式冷彎成型生產技術的新發展.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] 防火玻璃框架系統設計施工及驗收規范,DBJ 11-624-2006
[5] 鑲玻璃構件耐火試驗方法,GB 12513-2006,中國標準出版社,2006
[7] 建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法,GB/T 8484-2008,中國標準出版社,2008
[8] 高層民用建筑設計防火規范,GB 50045-2005,中國計劃出版社,2005
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