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冷弯钢质防火门窗
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| 来源:2011年会论文集 作者:邱速希 日期:2011-5-5
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提要:本文介绍了冷弯钢质防火门窗的冷弯生产工艺特点，并对其强度、以及和防火玻璃配合后的整体防火性能、节能性逐一进行介绍。
关键词:钢质门窗 防火门窗 冷弯 防火玻璃 强度 节能 |
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本文作者：邱速希 林培浩 肖坚伟
1 前言
玻璃被作为建筑材料,多用于门、窗、采光带、玻璃幕墙等建筑结构，近年来随着玻璃性能的不断改善, 越来越多的建筑师和结构工程师在工程中利用玻璃来实现建筑物更亮、更轻、更美的高科技效果,增强城市的现代化气息。玻璃在力学性能上有点像混凝土, 耐腐蚀性能很强，是一种脆性材料,抗压性能好、抗拉性能差,应力应变关系表现为线性,弹性模量在70~73GPa 之间,约为钢材弹性模量的三分之一。玻璃的强重比要优于普通钢材,同时,玻璃的热膨胀系数为 9×106,与钢材相近,这使得钢材和玻璃能够用于同一结构,发挥各自特长， 目前随着特种玻璃生产技术的日趋成熟，大量高强、防火的特种玻璃应用到建筑外墙门窗中，不但要起到玻璃的装饰作用，还要起到防火的作用，这就对其承载的金属框架提出了更高的要求。为配合特种玻璃性能特点，一般要求金属框架具有高强、防火、材质轻易加工等性能指标。而且随着建筑门窗越来越大，对建筑门窗的结构形式也提出了更高的要求。综上所述，大多数铝合金和塑钢框架已经无法满足特种玻璃的使用要求，钢质防火金属门窗是此类应用的最佳选择。
钢质防火门窗是一种薄壁、截面面积大、形状复杂的空腹结构，这种钢结构特别适合采用连续冷弯生产。所谓冷弯成形技术是一种节省材料、节约能源、高效率的金属成型工艺，它通过顺序配置的多道次成型轧辊，把板材连续地横向弯曲，能够加工出力学性能好、表面质量高、尺寸精确的高附加值产品，该生产多为在室温下成型，很方便与冲、铆、焊等工艺相结合，形成多工艺组合生产线，实现精密生产目的。
二十世纪八十年代前，钢质门窗在我国金属门窗中盛行一时[1]，随着国家对建筑防火，特别是高层建筑防火的重视，以及《高层民用建筑防火规范》对建筑防火设计的要求，可以想象，具有防火性能、强度高、产品精密的钢质防火门窗将再次得过广泛的应用。
2 冷弯成型特点
国内传统的钢质防火门窗由于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，加工生产方式的钢框架一个明显的弊端是框架的生产需要经过多个人工步骤，产品由于焊接热变形后精度不高，并且难以加工生产复杂断面的门窗型材。
冷弯型钢一般是以热轧或冷轧钢作原材料，在常温状态下，经过拉拔、冲压、折弯或辊式弯曲成型机组加工而成。其成品生产工艺包括：冷弯材料准备、开卷工艺、矫平工艺、成型工艺、焊接工艺、切断收集工艺等。通过成熟的冷弯成型基础理论支持下，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，生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、机械性能良好、重量轻等特点。
3 钢质防火门窗防火性能
对于建筑防火幕墙、防火隔断或防火门窗，构件防火均为一个系统，防火玻璃在没有支持框架或支持结构防火性能差，将会由于失去支持后在重力的作用下自行脱落，构件整体将丧失防火性能。《防火玻璃框架系统设计施工及验收规范》规定防火检测试件的材质、构造、安装施工方法应与实际工程相同，其尺寸也应为实际工程使用的防火玻璃板块最大尺寸[4]，这个规定也明显的表明，防火构件应当是作为一个系统进行检测和应用。
钢质防火门窗采用优质的冷轧钢材作为原材料，其熔点接近1500℃，不仅其熔点远远高于铝合金的650℃，并且通过其空腹结构设计，降低门窗框架吸热速度，进一步提高其防火时间，使得钢质防火门窗防火性能与防火玻璃防火性能更加配套，充分发挥防火门窗整体防火性能。
图2和图3分别为钢质防火框架配合防火玻璃以及铝合金门框配合防火玻璃根据根据《镶玻璃构件耐火试验防火》[5]进行测试，钢质防火门窗在标准测试条件下60min后依然保存完好，铝合金门窗在标准测试条件进行15min后，铝合金窗框开始熔化脱落，并在18min后完成脱落，防火玻璃失去支撑，门窗系统失去防火隔烟雾功能。
4 钢质防火门窗强度
传统认为钢门窗的结构截面小，强度低，实际上，钢型材的强度远大于目前广泛应用的铝合金，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，经常采用以下材料力学公式：
钢材的许用应力是[σ]=210；铝合金的许用应力是[σ]=70，正好是三倍之差。由于[σ]与Iz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三分之一即可。从图4可以看出，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。
5、钢质防火门窗节能性
在确保钢质防火门窗防火性能的情况下，利用美国劳伦斯－贝克利国家实验室（lbl）的门窗计算软件thermal和windows或广东省建筑科学研究院的建筑幕墙门窗热工性能计算软件对钢质防火门窗的断面、结构进行优化设计，充分提高钢质防火门窗的建筑节能性，使其优于铝合金门窗，并达到或接近断热铝合金门窗一样的节能性。
对一个尺寸为2000mm×1600mm的钢质防火门窗（如图5）根据建筑外门窗保温性能分级及检测方法[6]进行节能分析，其结果如下：
6、密封性能
经过精密设计并采用冷弯成型的钢质防火门窗，其产品精密度高、平整度好，配合专用的防火密封材料，利用精湛的门窗组装技术，产品具有良好的水密性和气密性。
多点锁以及为安装防火多点锁而设计的锁槽和双重密封胶条有效的解决了钢质防火门窗的密封性问题。
7、结束语
现行《高层民用建筑防火设计规范》中的考虑800mm高[7]的防火窗槛墙所考虑的是建筑内部火灾，2009年央视火灾和2010年上海胶州路事件表明，建筑防火不仅应该关注于建筑内部火灾，并且也应该重视建筑外部火灾，因此相信未来随着对外部火灾的重视，具有良好防火性能的钢质防火门窗将会得到广泛的应用，另一方面，随着钢质防火门窗冷弯生产技术的成熟和门窗设计技术的不断优化，钢质方面门窗也具有良好的隔热性能和密封性能，完全能达到铝合金、塑钢门窗的性能，从经济性而言，对比钢质型材和铝合金型材的价格以及其型材厚度，钢质防火门窗也具有明显的优势。
参 考 文 献
[1] 陈昌业.为什么钢门窗在国内被冷落.钢木门窗,2006(10):30-34
[2] 徐尚义.现代辊式冷弯成型生产技术的新发展.钢管,1995(3):16-20
[3] 杨明珠,李涛.冷弯成型工艺分析及问题.考试周刊,2008(45)
[4] 防火玻璃框架系统设计施工及验收规范,DBJ 11-624-2006
[5] 镶玻璃构件耐火试验方法,GB 12513-2006,中国标准出版社,2006
[7] 建筑外门窗保温性能分级及检测方法,GB/T 8484-2008,中国标准出版社,2008
[8] 高层民用建筑设计防火规范,GB 50045-2005,中国计划出版社,2005
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