專利名稱：一種耐高溫的建筑鋼結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及建筑領域，特別是涉及一種耐高溫的建筑鋼結構。當鋼結構房屋發生火災時，可防止或延緩房屋鋼結構強度因高溫而降低造成鋼結構坍塌并危及人員生命。
背景技術：
根據《民用建筑設計通則》，高于24米或超過10層的建筑屬于高層建筑。隨著經濟發展，又涌現出一批高于100米的建筑，它們被稱為超高層建筑，公眾習慣將其稱為“摩天大樓”。高層建筑一尤其是外觀怪異的高層建筑，一般是鋼結構建筑或部分采用鋼結構。常用的建筑結構鋼為Q235、Q345等，由于鋼材中的碳在高溫條件下造成脫碳，造成鋼材強度降低，長期處在高溫環境中(600°C -900°C)會造成鋼材中鐵元素的氧化，完全 喪失鋼材的性能，當溫度高于鋼材熔點時，會造成鋼結構熔化坍塌。對于這些摩天大樓，盡管鋼結構具備主體結構比較輕、建造快、現場施工量小的優點，但其致命弱點是怕火，雖然鋼本身并不燃燒，但普通鋼材在600°C的環境下，強度就很差，根本無法支撐建筑物重量。所以，鋼結構安裝后會在表面噴涂一層厚厚的防火涂料，一般涂料保證的耐火時限為2 3小時，以供建筑內部的人員逃生。一旦大火燒過，鋼結構往往嚴重受損。例如，2001年9月11日，美國世貿中心雙塔被恐怖份子用民航客機自殺式撞擊最終倒塌。一架起飛重量160噸，滿掛油料是45噸的波音767型飛機，撞擊北塔；18分鐘后，另一架起飛重量100噸，滿掛油料是30噸的波音757型飛機，撞擊南塔。刨除飛行消耗，雙塔被撞時各被澆灌了小于30多噸高燃值的航空燃油，燃燒時高達1000°C的高溫，使鋼結構變軟，鋼結構承受不了上面的重量，瞬間倒塌。再如，2009年2月9日，在建的中國中央電視臺新臺址園區文化中心發生特別重大火災事故。造成直接經濟損失巨大，要想保證整個大樓的結構，首先必須補償因受火災導致的鋼結構強度降低的問題。為了增加鋼結構的強度，不得不耗費巨資，采用多層碳纖維的方式，在盡量減輕結構重量的前提下、補償鋼結構的強度。目前解決鋼結構的抗高溫能力，主要從提高鋼結構耐火極限和迅速降低火場溫度兩方面考慮，主要方法有1、阻隔溫度，提高鋼結構耐火極限，鋼結構防火主要采用防火涂料、發泡防火漆和外包防火層等方法。2、迅速排煙，降低火場溫度。無論采用哪種方式都是采用被動保護的方式或者改變外圍環境條件力圖解決鋼結構的抗高溫能力，這兩種方式一是無法從根本上解決鋼結構的抗高溫能力，二是還受到滅火時間的限制，一般鋼結構耐火時限為2-3小時，如果滅火時間太長，所有的保溫材料的溫度與鋼結構的溫度將趨于極限，防護能力都會大大削弱，鋼結構的強度降低或喪失金屬強度造成鋼結構坍塌。此外，鋼結構建筑物一旦失火，還不能用水直接滅火，如果救火時澆水，對其破壞將更加嚴重。鋼結構高層建筑即使發生不大的火災，技術上也必須拆除才能保證安全
發明內容
為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種耐高溫的建筑鋼結構，建筑鋼結構不僅具有鋼結構的結構強度作用，而且具有主動傳熱、散熱的特性，能防止和延緩在火災中鋼結構強度降低，避免或降低建筑物受損程度，同時為建筑物中的人員爭取寶貴的逃生時間。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種耐高溫的建筑鋼結構，包括結構為H型或C型的建筑型鋼，其特征是所述的建筑型鋼上沿長度方向設有用于傳熱的熱管，所述的熱管與建筑型鋼之間具有傳熱結合面，熱管的蒸發段位于室內，熱管的冷凝段位于室外，在熱管的冷凝段設有冷卻水噴淋系統。所述的熱管為重力熱管或內壁加吸液芯的熱管。
所述的熱管與建筑型鋼為一體式，建筑型鋼是熱管的一部分。所述的熱管與建筑型鋼為分體式，外加熱管被固定在建筑型鋼上，在傳熱結合面上涂有導熱硅脂。所述的建筑型鋼包括鋼立柱和鋼梁。所述的鋼立柱和鋼梁具有各自獨立的熱管。所述的鋼立柱和鋼梁具有一體式的連體熱管。在熱管的冷凝段設有散熱鰭片。所述的熱管具有一個平面作為傳熱結合面，該熱管的平面部分與建筑型鋼的一個平面接觸。所述的冷卻水噴淋系統，包括水泵、水泵與噴淋頭之間的連接管路，在冷凝段的熱管壁上設置有溫度傳感器，所述的傳感器發出信號控制與其電連接的水泵開啟和關閉。本發明的有益效果是本發明提供了一種應用熱管防止和延緩在火災中鋼結構強度降低的裝置，當鋼結構房屋發生火災導致房屋鋼結構強度降低時，利用熱管將鋼結構的熱量傳遞到建筑外部，通過水冷將熱量放散到環境中，防止或延緩房屋鋼結構強度降低的裝置。本發明不僅能夠防止和延緩鋼結構性能降低，避免或降低建筑物受損程度，同時為建筑物中的人員爭取寶貴的逃生時間。與現有技術相比，本發明的有益效果表現在I)該裝置既具有鋼結構的作用，又具有熱管主動傳熱、無動力傳熱和散熱的特性，為一種復合型鋼結構型材。2)該裝置解決了在鋼結構建筑內部失火時，不能采用噴水滅火的問題，又解決了失火時一般鋼結構耐火時限超過2-3小時引起鋼結構強度降低會喪失結構強度造成鋼結構坍塌的問題，屬于一次投入，常年收益。3)在散熱段管壁上設置溫度傳感裝置和自動噴水系統實現火災發生時對建筑型鋼的自動降溫，火滅時恢復常態的功能。4)無論采用一體式還是采用分離式的熱管，在防止和延緩房屋鋼結構強度減弱的同時，又加強了房屋鋼結構自身的強度，使鋼結構更加穩固。
下面結合附圖和實施例對發明進一步說明，
圖I為本發明系統圖；圖2為本發明實施例一分離式型材結構圖；圖3為本發明實施例二一體式結構之半圓形熱管型材結構圖；圖4為本發明實施例三一分體式結構之矩形熱管型材結構圖；圖中，I鋼立柱，2第一熱管，20傳熱工質腔體，21第一熱管冷凝端，22第一熱管測溫點，3第二熱管，31第二熱管冷凝端，32第二熱管測溫點，4第三熱管，41第三熱管冷凝端，42第三熱管測溫點，5第四熱管，51第四熱管冷凝端，52第四熱管測溫點，6冷卻水噴淋系統，7鋼梁。
具體實施方式
如圖1，一種耐高溫的建筑鋼結構，包括結構為H型或C型的建筑型鋼，所述的建筑型鋼包括鋼立柱I和鋼梁7。所述的建筑型鋼上沿長度方向設有用于傳熱的熱管，以左右兩側的鋼立柱I和鋼梁7為例，在左側鋼立柱I上設有第一熱管2，在左側鋼梁7上設有第二熱管3，第一熱管2和第二熱管3在鋼梁7的部分平行延伸穿出屋頂之室外；同樣，在右側鋼立柱上設有第三熱管4，在左側鋼梁上設有第四熱管5，第三熱管4和第四熱管5在鋼梁的部分平行延伸穿出屋頂之室外.所述的各熱管可采用重力熱管或內壁加吸液芯的熱管。其原理是在由金屬管殼密閉的腔體內設有傳熱工質(純水或其他傳熱工質)，熱管的一端為蒸發段，另一端為冷凝段，當熱管的一端受熱時，傳熱工質蒸發將熱量迅速傳遞到冷凝段，傳熱工質的熱量在冷凝成釋放后變成液體，在重力的作用下回流到蒸發段，形成循環往復的傳熱過程。所述的熱管與建筑型鋼之間具有傳熱結合面。熱管的蒸發段位于室內，熱管的冷凝段(包括第一熱管冷凝端21，第二熱管冷凝端31，第三熱管冷凝端41，第四熱管冷凝端51)均位于室外，在熱管的冷凝段設有冷卻水噴淋系統6。當鋼結構房屋發生火災導致房屋立柱、鋼梁等鋼結構強度降低時，利用熱管將鋼結構的熱量傳遞到建筑外部，通過水冷將熱量放散到環境中，防止或延緩房屋鋼結構強度因高溫而降低的裝置。如圖2，所述的熱管與建筑型鋼為分體式，以第一熱管2為例，外加的第一熱管2被固定在H型建筑立柱鋼I上，第一熱管2為具有獨立的傳熱工質腔體20，第一熱管2具有一個平面作為傳熱結合面，其他面可以是矩形、半圓形或其它形狀。該熱管的平面部分與建筑型鋼的一個中間平面接觸，結合方式是第一熱管2平面向兩側伸出的帶固定孔的板與H型建筑立柱鋼的一個平面的孔通過螺栓23或焊接方式固定。為降低該熱管與型鋼之間的接觸熱阻，兩個界面之間涂有導熱硅脂。另一種結合方式是通過抱箍+螺栓將第一熱管2和H型建筑立柱鋼I緊固在一起。分體式使用的熱管可單獨制作、到現場安裝，適于對鋼結構建筑現場改造，屬于后加型或改造型。圖3為本發明實施例二一體式結構之半圓形熱管型材結構圖；仍以第一熱管2為例。所述的熱管與建筑型鋼為一體式，建筑型鋼是熱管的一部分。半圓形的第一熱管2與H型建筑立柱鋼I之間焊接而圍成具有傳熱工質腔體20的熱管。一體式的結構需要在鋼結構廠將型鋼做成具有熱管功能的建筑構件，到現場安裝。
圖4為本發明實施例三一體式結構之矩形熱管型材結構圖；與圖3不同之處在于，熱管的形狀和焊接位置的差異。新建鋼結構建筑選用一體式結構、新建筑物設計時直接進行設計選型。在制作一體式具有熱管功能的型鋼時熱管內壁與型鋼同時做脫脂、除銹、鈍化處理，尤其是在做熱管內壁鈍化處理后，在表面形成致密的氧化膜，使得傳熱工質與腔體的相容性較鈍化之前的大大提高，使用壽命長。鋼立柱和鋼梁可以如圖I所示設置各自獨立的熱管，也可將鋼立柱和鋼梁設計成具有一體式的連體熱管。所述的冷卻水噴淋系統，包括水泵、水泵與噴淋頭之間的連接管路，在冷凝段的熱管壁上設置有溫度傳感器，所述的傳感器發出信號控制與其電連接的水泵開啟和關閉。在熱管的冷卻段上方設有多個噴淋水裝置，噴淋裝置與水泵相連。熱管在溫差作用下工作，在蒸發段，工質吸熱蒸發，將熱量迅速傳遞到冷凝段，將鋼結構的溫度降低，在冷凝段遇到水后，工質冷凝后在重力作用返回到蒸發段，把鋼結構吸收到的熱量源源不斷地傳導出去， 成傳熱過程。冷凝段遇到冷水后，將冷水加熱變成高溫水和蒸汽，將熱量擴散到環境中，完成散熱過程。確保鋼結構溫度遠低于其性能改變的溫度，保證了鋼結構的強度。在熱管冷凝段或蒸發段設有溫度傳感器(在第一熱管測溫點22，第二熱管測溫點32，第三熱管測溫點42和第四熱管測溫點52處均設有溫度傳感器)，與傳感器相連設有一套控制系統。當冷卻段的溫度超過設定溫度時，(設定溫度=房頂受陽光輻射時的最高溫度+30°C)，傳感器發出信號啟動水泵電機啟動，開始噴水；當火熄滅后，溫度傳感器恢復到斷開狀態，水泵停止工作。噴淋用水采用原有消防水池內的水或其他方便的水源。為提高同樣長度冷凝散熱段的散熱能力，可在熱管表面焊接散熱鰭片，擴大散熱面積，增強散熱能力，縮小散熱段占用空間。熱管的蒸發段和冷凝段的面積合理匹配，依據是建筑物內可燃物的多少，諸如室內的易燃品、可燃物量較多，可以適當增長冷凝段長度，增大水泵功率和噴水量，以便火災發生時快速降溫。制作熱管采用的鋼材與型鋼的材質均為同一類碳鋼，相容性和焊接性能良好，熱管按照熱管的制造工藝和技術要求制作。熱管的優點在于(1)、具有很高的導熱性和相當大的傳熱能力，與銀、銅等金屬相比，單位重量的的熱管可傳遞的幾個數量級的熱量；(2)、啟動速度快，在溫差的作用下傳熱速度可達每秒幾米到十幾米，且不需外界動力，只需蒸發段和冷凝段的溫差啟動；(3)、均溫性能良好；(4)、可實現遠距離熱量傳輸，可以實現幾十米到百米以上的遠距離無動力傳熱。具有熱管性能的型鋼施工一體式結構型鋼和熱管是一體的，是一種增強型的型鋼，分離式結構所使用的熱管是附著在鋼結構上，在施工時可以按照建筑施工規范進行鋼結構施工。
權利要求
1.一種耐高溫的建筑鋼結構，包括結構為H型或C型的建筑型鋼，其特征是所述的建筑型鋼上沿長度方向設有用于傳熱的熱管，所述的熱管與建筑型鋼之間具有傳熱結合面，熱管的蒸發段位于室內，熱管的冷凝段位于室外，在熱管的冷凝段設有冷卻水噴淋系統。
2.根據權利要求I所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的熱管為重力熱管或內壁加吸液芯的熱管。
3.根據權利要求I或2所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的熱管與建筑型鋼為一體式，建筑型鋼是熱管的一部分。
4.根據權利要求3所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的熱管與建筑型鋼為分體式，外加熱管被固定在建筑型鋼上，在傳熱結合面上涂有導熱硅脂。
5.根據權利要求3所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的建筑型鋼包括鋼立柱和鋼梁。
6.根據權利要求5所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的鋼立柱和鋼梁具有各自獨立的熱管。
7.根據權利要求5所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的鋼立柱和鋼梁具有一體式的連體熱管。
8.根據權利要求I所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，在熱管的冷凝段設有散熱鰭片。
9.根據權利要求I所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的熱管具有一個平面作為傳熱結合面，該熱管的平面部分與建筑型鋼的一個平面接觸。
10.根據權利要求I所述的一種耐高溫的建筑鋼結構，其特征是，所述的冷卻水噴淋系統，包括水泵、水泵與噴淋頭之間的連接管路，在冷凝段的熱管壁上設置有溫度傳感器，所述的傳感器發出信號控制與其電連接的水泵開啟和關閉。
全文摘要
一種耐高溫的建筑鋼結構,涉及建筑領域，用以解決火災中鋼結構強度降低的問題。它包括結構為H型或C型的建筑型鋼，所述的建筑型鋼上沿長度方向設有用于傳熱的熱管，所述的熱管與建筑型鋼之間具有傳熱結合面，熱管的蒸發段位于室內，熱管的冷凝段位于室外，在熱管的冷凝段設有冷卻水噴淋系統。本發明不僅能夠防止和延緩鋼結構性能降低，避免或降低建筑物受損程度，同時為建筑物中的人員爭取寶貴的逃生時間。
文檔編號E04B1/74GK102797291SQ201210335540
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者魏冉, 李致遠 申請人:魏冉, 李致遠