大空間鋼結(jié)構(gòu)建筑消防安全評(píng)估研究

●王 濤

(日喀則市消防支隊(duì),西藏日喀則 857000)

為研究大空間鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)的消防安全問(wèn)題,本文以天津梅江會(huì)展中心為例進(jìn)行模擬研究。該會(huì)展中心占地面積 85 400m2,總建筑面積98 000m2。建筑高度為 36.3m。一層為登錄大廳、主會(huì)議廳、六個(gè)展覽廳、廚房及設(shè)備用房,二層為會(huì)議室及設(shè)備用房。一層建筑面積 85 400m2,二層建筑面積 12 600m2。建筑結(jié)構(gòu)型式為鋼結(jié)構(gòu)。

1 鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能

建筑結(jié)構(gòu)安全目標(biāo)主要為鋼結(jié)構(gòu)在受火或高溫作用時(shí),不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大形變或位移,不會(huì)失去承載能力而垮塌。建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)的性能判定標(biāo)準(zhǔn)目前主要根據(jù)建筑構(gòu)件的失效標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定,即無(wú)論是構(gòu)件還是整體結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計(jì),均應(yīng)滿(mǎn)足下列要求之一：(1)在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火時(shí)間內(nèi),結(jié)構(gòu)的承載力 Rd應(yīng)不小于各種作用所產(chǎn)生的組合效應(yīng) Sm,即 Rd≥Sm;(2)在各種荷載效應(yīng)組合下,結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間 td應(yīng)不小于規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火極限 tm,即 td≥tm;(3)在火災(zāi)條件下,當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度均勻時(shí),若取結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)的內(nèi)部溫度為臨界溫度 Td,則應(yīng)不小于在耐火極限時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的最高溫度 Tm,即 Td≥Tm。

本文采用第 3種判定方式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)耐火分析,具體方法是設(shè)定相應(yīng)的火災(zāi)場(chǎng)景,利用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《消防安全工程：用于煙氣羽流分析的公式要求》(ISO16734)提供的公式以及 FDS模擬兩種方法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的最高溫度。如果鋼結(jié)構(gòu)最高溫度小于耐火極限,則可以不采取保護(hù)措施;如果鋼結(jié)構(gòu)最高溫度大于耐火極限,則提出鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)的具體方案。根據(jù)權(quán)威研究結(jié)果,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失效的臨界溫度為 537℃。在這樣的溫度下,鋼的屈服應(yīng)力將會(huì)降低到其正常值的 60%。當(dāng)鋼材的溫度小于 300℃時(shí),其強(qiáng)度下降較小,而超過(guò) 300℃以后,強(qiáng)度下降較為迅速。為安全起見(jiàn),本文將天津梅江會(huì)展中心鋼屋架結(jié)構(gòu)的失效溫度確定為 300℃。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)分析

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法

2.1.1 計(jì)算公式

在火災(zāi)中,屋頂鋼構(gòu)件同時(shí)受到熱煙氣和火焰輻射加熱,它的溫度可以通過(guò)以下方法計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)吸收的凈熱流可按式(1)計(jì)算。鋼構(gòu)件吸收的凈熱量可按式(2)或式(3)計(jì)算。

綜合以上各式,鋼構(gòu)件的溫升可按式(4)計(jì)算。

式中,αst為鋼吸收率;Tm為煙氣層的平均溫度(K)。Tm可按式(5)計(jì)算：

式中,Cp為環(huán)境空氣比熱,取 1.02k J·(kg·K)-1;T0為環(huán)境空氣溫度,取 296K;Tc為煙羽流中心溫度(K),可按式(6)計(jì)算：

式中,g為重力加速度;ρ0為環(huán)境空氣密度,取 1.2 kg·m-3;z0為虛點(diǎn)源的高度(m);Ts為鋼構(gòu)件的溫度(K);hc為對(duì)流傳熱系數(shù)(W·m-2·K-1);z為鋼構(gòu)件高度(m);εr為鋼構(gòu)件和熱煙之間的發(fā)射率;ρs為鋼的密度,取 7 850kg·m-3;Vst為單位長(zhǎng)度鋼構(gòu)件體積(m3·m-1);Cpst為鋼的比熱。Cpst可按式(7)計(jì)算：

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

由于鋼構(gòu)件的溫度與其比表面積及所接受的輻射熱流有關(guān),因此,在分析鋼構(gòu)件在火災(zāi)中的溫度時(shí),應(yīng)選擇處于最低位置且尺寸較小的鋼構(gòu)件。由于考慮展廳內(nèi)展位有一定高度,因此,本文同時(shí)計(jì)算了有一定高度的展位發(fā)生火災(zāi)時(shí)鋼構(gòu)件的溫度。

2.1.2.1 展覽大廳

展覽大廳內(nèi)最低鋼構(gòu)件標(biāo)高為 15.0m(不含鋼索及撐桿)。由于展廳中可能存在大量的泡沫塑料或木制貨架托盤(pán),因此本文根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS16733,選擇展覽大廳內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展為快速火,根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確定了展覽大廳內(nèi)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為 0.047kW·s-2。對(duì)于展覽廳,若自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)失效,則需要專(zhuān)業(yè)消防人員進(jìn)行撲救,考慮到我國(guó)消防隊(duì)員在接警后 5min到達(dá)火場(chǎng),并在火災(zāi)發(fā)生后 10min開(kāi)展有效的滅火戰(zhàn)斗并控制火勢(shì)的發(fā)展。因此,在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)失效時(shí),本文假定在此種情況下展覽廳的火災(zāi)最大熱釋放速率為 0.04689×6002=16880kW,即 16.9MW;將各種參數(shù)代入式(4),通過(guò)迭代的方式可計(jì)算得到典型鋼構(gòu)件溫度曲線(xiàn)如圖 1～圖 3所示。從圖 1～圖 3可以看出,當(dāng)不考慮展位高度時(shí),即火源距離鋼構(gòu)件15m時(shí),各構(gòu)件溫度均未超過(guò) 300℃;當(dāng)展位高度達(dá)到 6m,即火源距離鋼構(gòu)件 9m時(shí),各構(gòu)件溫度均基本接近 300℃。

圖 1 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)(φ165.7×7)

圖2 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)(φ180×6)

圖3 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)(φ194×8)

2.1.2.2 登錄大廳

登錄大廳內(nèi)最低鋼構(gòu)件標(biāo)高為 17.0m。由于登錄大廳內(nèi)的可燃物主要是為人員休息而擺放的沙發(fā)、休閑座椅、茶幾以及會(huì)議、展覽報(bào)名登記時(shí)臨時(shí)擺放的辦公桌椅。對(duì)于辦公桌椅根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其火災(zāi)增長(zhǎng)速率為0.044 6kW·s-2。對(duì)于沙發(fā),本文也選取 NIST曾做過(guò)的沙發(fā)火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ),確定沙發(fā)類(lèi)火災(zāi)熱釋放速率略小于 t2快速火。因此,本文保守地將登錄大廳內(nèi)的火災(zāi)類(lèi)型確定為 t2快速火,即火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù) α=0.047kW·s-2。

對(duì)于登錄大廳,由于臨時(shí)擺放的可燃物數(shù)量有限,若自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)失效,其火災(zāi)最大熱釋放速率主要受可燃物數(shù)量的限制,而不是時(shí)間的限制。根據(jù)類(lèi)似場(chǎng)所可燃物的擺放情況,其火災(zāi)最大熱釋放速率可保守的按 2個(gè)辦公組合單元或 2個(gè)多人沙發(fā)同時(shí)著火來(lái)計(jì)算,根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn),單個(gè)辦公組合單元和單個(gè)多人沙發(fā)的火災(zāi)最大熱釋放速率約3.5MW,因此登錄大廳火災(zāi)的最大熱釋放速率為7.0MW。將各種參數(shù)代入式(4),通過(guò)迭代的方式可計(jì)算得到典型鋼構(gòu)件溫度曲線(xiàn)如圖 4所示。從圖5可以看出,當(dāng)?shù)卿洿髲d發(fā)生火災(zāi),火源距離鋼構(gòu)件17m時(shí),屋頂鋼構(gòu)件溫度均未超過(guò) 300℃。

圖4 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)

2.2 FDS模擬計(jì)算

本文假設(shè)在最不利條件下,即自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)均失效時(shí)屋頂鋼構(gòu)件處的火羽流中心軸線(xiàn)的煙氣溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn),見(jiàn)圖 5、圖 6。從圖中可以看出,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在火源位置 A(展廳)和B(登錄大廳)時(shí),距離火源最近鋼構(gòu)件的最高溫度分別為 162℃和 131℃。

3 結(jié)論

現(xiàn)將采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果和采用 FDS模擬的結(jié)果匯總于表 1。在設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下,經(jīng)驗(yàn)公式和FDS模擬所得展覽大廳和登錄大廳的屋頂鋼構(gòu)件最高溫度分別為 162℃和 131℃,均小于本文設(shè)定的鋼結(jié)構(gòu)失效溫度 300℃。因此,屋頂鋼構(gòu)件可不進(jìn)行防火保護(hù)。

表1 火災(zāi)中最不利條件下屋頂鋼構(gòu)件的溫度

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),如果展廳內(nèi)展位高度較高,可燃物距離鋼構(gòu)件 9m時(shí),在設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景條件下,鋼構(gòu)件溫度基本達(dá)到 300℃。因此,展覽大廳可燃展位高度應(yīng)分別控制在 6m和 3m以?xún)?nèi),否則屋頂?shù)匿摌?gòu)件需進(jìn)行防火保護(hù)。

圖5 展覽大廳鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)

圖6 登錄大廳鋼構(gòu)件溫度變化曲線(xiàn)