機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)防火性能化分析

王洪欣，查曉雄，余 敏，王海洋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院城市與土木工程學(xué)科部，518055廣東深圳，wanghongxin15@163．com)

機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)防火性能化分析

王洪欣，查曉雄，余 敏，王海洋

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院城市與土木工程學(xué)科部，518055廣東深圳，wanghongxin15@163．com)

為了得到某機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)和有限元分析相結(jié)合的方法，通過火災(zāi)危險(xiǎn)性分析，按照可信最不利原則設(shè)定機(jī)場航站樓結(jié)構(gòu)火災(zāi)場景;運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS和傳熱學(xué)公式得到火災(zāi)影響區(qū)域構(gòu)件溫升曲線，建立結(jié)構(gòu)有限元模型，并結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載條件和溫升曲線計(jì)算出結(jié)構(gòu)在設(shè)定火災(zāi)場景下的力學(xué)性能．結(jié)果表明:部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下內(nèi)力增加很多，甚至接近構(gòu)件在火災(zāi)溫度下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但結(jié)構(gòu)整體豎向位移相對于整體跨度較小，整體結(jié)構(gòu)仍然處于安全狀態(tài)．為了整體安全，利用結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度來進(jìn)行有效的抗火設(shè)計(jì)，通過加強(qiáng)空間結(jié)構(gòu)的整體性和超靜定次數(shù)可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗火性能．

機(jī)場航站樓;鋼結(jié)構(gòu);抗火性能;防火性能化

隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展、旅客數(shù)量的大幅增加，越來越多的機(jī)場航站樓建筑采用單一大屋蓋結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式的建筑通常表現(xiàn)為面積巨大，此外還呈現(xiàn)空間巨大，幾層空間相互連通等建筑特點(diǎn)，營造出內(nèi)部空間開敞通透的視覺效果和華麗的建筑外表的同時(shí)，也使結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)安全設(shè)計(jì)與研究遇到了很多新的挑戰(zhàn)．然而國內(nèi)外機(jī)場火災(zāi)事故又不斷發(fā)生，例如2006年泰國曼谷機(jī)場一號航站樓發(fā)生火災(zāi);2008年武漢天河機(jī)場2號航站樓失火等．由于鋼結(jié)構(gòu)抗火能力較差，一旦機(jī)場航站樓內(nèi)的重要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)中失效，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果［1－3］．因此，不少學(xué)者提出火災(zāi)下結(jié)構(gòu)整體性能的研究思想［4－6］，有關(guān)整體結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)和破壞方面的研究日益成為一種迫切需要．

本文以某國際機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)機(jī)場航站樓內(nèi)的可燃物、通風(fēng)條件和空間大小等特性，運(yùn)用防火性能化設(shè)計(jì)和有限元分析相結(jié)合的方法對該航站樓內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)屋頂在火災(zāi)下的力學(xué)性能和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并進(jìn)行火災(zāi)下的安全性能評估，在不影響結(jié)構(gòu)抗火安全水平的前提下合理提出結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)要求．

1 工程概況

本項(xiàng)目機(jī)場航站樓屬于超長大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)主要由主指廊、副指廊、十字交叉指廊、主指廊與主樓結(jié)合部位、主航站樓等5大部分組成．總建筑面積約為45.9×104m2，南北方向最大約1 000 m，東西方向最大約650 m，建筑最高處高度約為46.5 m．航站樓屋蓋承重體系采用復(fù)雜的大跨度空間鋼桁架結(jié)構(gòu)．航站樓整體建筑效果如圖1所示，5大部分組成如圖2所示．本文主要分析機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，以主指廊01區(qū)域?yàn)槔?，介紹屋頂鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能分析過程．

圖1 某機(jī)場航站樓整體效果

圖2 某機(jī)場航站樓區(qū)域示意圖

2 荷載條件及火災(zāi)場景設(shè)定

2.1 荷載條件

根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范［7］規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)抗火驗(yàn)算時(shí)，可按偶然設(shè)計(jì)狀況的作用效應(yīng)組合，分別采用下式較不利的情況．

其中:ψf為屋面活荷載的頻遇值系數(shù)，ψq為屋面活荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)．

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的資料，永久荷載SGk為結(jié)構(gòu)自重的130%，并包括表皮的附加自重1.0 kN/m2;活荷載標(biāo)準(zhǔn)值SQk取1.0 kN/m2;風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值SWk按下式取值．

其中:w0為基本風(fēng)壓，μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，主指廊結(jié)構(gòu)風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz取1. 77，風(fēng)振系數(shù)βz取2.0(根據(jù)設(shè)計(jì)方提供)，平均風(fēng)壓由同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)確定．

2.2 火災(zāi)場景及溫度計(jì)算

本文主要分析機(jī)場航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，選取主指廊結(jié)構(gòu)為例，介紹屋頂鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能分析過程．主指廊最高層為8.8 m層，在進(jìn)行屋頂鋼結(jié)構(gòu)抗火分析時(shí)，設(shè)定火災(zāi)發(fā)生在8.8 m層商鋪內(nèi)，商鋪有“開放艙”進(jìn)行保護(hù)．“開放艙”包括一個(gè)堅(jiān)實(shí)的有足夠耐火極限的頂棚，覆蓋在整個(gè)火災(zāi)荷載相對較高的區(qū)域之上，如商業(yè)區(qū)域．頂棚下設(shè)自動(dòng)探測報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等，頂棚四周設(shè)有一定深度的擋煙垂壁．根據(jù)有關(guān)單位面積熱釋放速率的建議和以往經(jīng)驗(yàn)，商店在滅火系統(tǒng)失效情況下的火災(zāi)規(guī)模保守取值為10 MW．不考慮火災(zāi)出現(xiàn)陰燃階段，假設(shè)商鋪為快速t2發(fā)展火，則火災(zāi)規(guī)模發(fā)展至10 MW約需462 s，而機(jī)場設(shè)有自己的專職消防隊(duì)，一般會(huì)在5 min之內(nèi)到達(dá)火場展開撲救，因此假設(shè)是比較保守的．

對于機(jī)場航站樓內(nèi)商店火災(zāi)來說，10 MW的熱釋放速率峰值可以認(rèn)為是在同一時(shí)刻燃燒的火災(zāi)面積最大可達(dá)到18 m2，根據(jù)對艙保護(hù)下火災(zāi)煙氣蔓延的模擬結(jié)果，保守估計(jì)火災(zāi)對頂部鋼結(jié)構(gòu)的影響區(qū)域?yàn)檫呴L10 m的方形區(qū)域．

考慮到不同高度及距離的鋼構(gòu)件可能受火災(zāi)影響的嚴(yán)重程度不同，具體溫度分析與計(jì)算過程為:1)艙保護(hù)下的商鋪火災(zāi)對頂部和側(cè)面構(gòu)件的影響由FDS模擬分析，包括空間煙氣的溫度及構(gòu)件接受的輻射熱流量;2)敞開區(qū)域的餐飲火災(zāi)由設(shè)計(jì)的火災(zāi)規(guī)模、火焰高度計(jì)算公式及傳熱學(xué)公式計(jì)算，包括火焰面對頂部鋼構(gòu)件的輻射以及煙氣對流傳熱;3)計(jì)算過程中均假定所有鋼構(gòu)件均未做防火保護(hù)．主指廊結(jié)構(gòu)火災(zāi)位置如圖3所示．經(jīng)FDS模擬及傳熱學(xué)分析得到的主指廊屋頂鋼構(gòu)件的溫升曲線，如圖4所示．

圖3 主指廊火災(zāi)位置示意圖

圖4 主指廊火源影響區(qū)域溫升曲線

3 有限元分析

由于結(jié)構(gòu)的抗火試驗(yàn)需要耗費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間，試驗(yàn)的費(fèi)用也相當(dāng)昂貴，對于機(jī)場航站樓等高大空間結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有條件無法進(jìn)行足尺試驗(yàn)．目前結(jié)構(gòu)火災(zāi)下力學(xué)性能的分析方法主要采用非線性有限元對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，它能準(zhǔn)確地反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)在真實(shí)火災(zāi)下的實(shí)際性能［8－9］．

3.1 有限元模型建立

主桁架和斜桁架中的梁構(gòu)件采用梁單元B31模擬，桁架中的腹桿采用桿單元T3D2模擬，表皮采用殼單元 S4R進(jìn)行模擬［10］．主指廊結(jié)構(gòu)共有27種梁和桿的截面，則需分別對每種構(gòu)件進(jìn)行截面屬性的賦予和梁截面方向的定義，有限元模型見圖5．結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345鋼，結(jié)合設(shè)計(jì)方提供的資料和文獻(xiàn)［7］，鋼材在高溫下的材料性能見文獻(xiàn)［7］．將計(jì)算出的荷載賦予結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的支座邊界資料來設(shè)定主指廊結(jié)構(gòu)支座約束，最后將FDS模擬及傳熱學(xué)得到的溫升曲線賦予結(jié)構(gòu)對應(yīng)構(gòu)件上，結(jié)構(gòu)溫升區(qū)域見圖6．

3.2 有限元分析結(jié)果

對比式(1)、(2)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在式(1)時(shí)更為不利．針對式(1)，分別分析火源側(cè)面內(nèi)層主桁架、火源側(cè)面外層主桁架、火源上方內(nèi)層主桁架和火源上方外層主桁架的構(gòu)件在不同時(shí)刻最大應(yīng)力與對應(yīng)溫度下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度．受火影響區(qū)域中的構(gòu)件以“火源側(cè)面內(nèi)層主桁架”為最不利位置，見表1．

圖5 主指廊結(jié)構(gòu)有限元模型

圖6 主指廊結(jié)構(gòu)火災(zāi)影響區(qū)位置

表1 不同時(shí)刻最大應(yīng)力與對應(yīng)溫度下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度(火源側(cè)面內(nèi)層主桁架)

在式(3)的荷載條件時(shí)，最不利主桁架位置為火源側(cè)面內(nèi)層主桁架，該處構(gòu)件的最大應(yīng)力為113.59 MPa，小于鋼材在該火災(zāi)溫度下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度(325 MPa)，主桁架構(gòu)件滿足承載力要求．主指廊結(jié)構(gòu)最不利的主要構(gòu)件為火源上方內(nèi)層主桁架構(gòu)件．火災(zāi)下，主桁架結(jié)構(gòu)最不利位置見圖 7，其主應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖8所示．

圖7 最不利主桁架構(gòu)件位置

圖8 最不利主桁架構(gòu)件應(yīng)力－時(shí)間曲線

從上述分析可知，主桁架構(gòu)件在火災(zāi)下，隨著溫度的升高，主應(yīng)力和軸力增大，而構(gòu)件彎矩減小．由于構(gòu)件溫度的增加，構(gòu)件受熱膨脹，同時(shí)又受到周圍構(gòu)件的約束，而使構(gòu)件軸力大幅增加．又由于火災(zāi)下鋼材模量降低，節(jié)點(diǎn)軟化，從而約束構(gòu)件端部的受彎能力下降，構(gòu)件承受彎矩降低．再加之彎矩降低的幅度小于軸力增加的幅度，構(gòu)件主應(yīng)力增加．

3.3 強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算

經(jīng)上述分析，最不利位置為火源上方內(nèi)層主桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件．根據(jù)文獻(xiàn)［7］，高溫下拉彎或壓彎鋼構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力按下式驗(yàn)算，式中各參數(shù)物理含義見文獻(xiàn)［7］．

繞弱軸(構(gòu)件截面對應(yīng)X軸)時(shí):

火源上方內(nèi)層主桁架構(gòu)件為最不利構(gòu)件，截面面積A為7.05×10－2m2，回轉(zhuǎn)半徑ix為8.96×10－2m，長度為 1.09 m，強(qiáng)軸 Wy為 6.01 ×10－3m3，強(qiáng)軸 Wx為 3.769 ×10－3m3．構(gòu)件軸力 N為－5 836 kN，X軸彎矩Mx為1.431 kN·m，Y軸彎矩My為62.523 kN·m，截面塑性發(fā)展系數(shù)γx=γy=1. 05，最高溫度為43.87℃，此時(shí)強(qiáng)度折減系數(shù) ηT為1.0．γR為 1. 1，φxT= φyT=0. 988，φ'bxT=0. 99，βmy= βtx=0. 802，η =0. 7，N'EyT=889.953 N．參數(shù)物理意義見文獻(xiàn)［7］．強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果:式(4)左端=88.08 MPa＜325 MPa(右端)．穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果，強(qiáng)軸(Y軸)驗(yàn)算:式(5)左端=86.96 MPa＜325 MPa(右端)．弱軸(X軸)驗(yàn)算:式(6)左端=83.1 MPa＜325 MPa(右端)．

由以上分析可知，主航站樓屋頂鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在最不利火災(zāi)場景下，滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力要求．

3.4 其他部分防火分析

同理，采用上述分析方法對機(jī)場航站樓其他4個(gè)部分在最不利火災(zāi)場景下，受火1 h的防火性能分析，5個(gè)部分的最不利結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置及構(gòu)件最高溫度見表2．副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結(jié)合部位的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)定最不利火災(zāi)條件下的溫升較小，而主樓屋頂構(gòu)件的溫升很大．

表2 屋頂鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)影響區(qū)域構(gòu)件溫度 ℃

對設(shè)定火災(zāi)下各區(qū)域屋頂鋼構(gòu)件的抗火承載力驗(yàn)算及安全性評估見表3．副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結(jié)合部位的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)定最不利火災(zāi)條件下的滿足穩(wěn)定承載力的要求，而主樓屋頂主桁架構(gòu)件的主應(yīng)力達(dá)到構(gòu)件在火災(zāi)溫度下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而且穩(wěn)定承載力也不滿足規(guī)范要求．這主要因?yàn)橹鳂俏蓓斨麒旒軜?gòu)件在設(shè)定最不利火災(zāi)場景下溫升較大，一方面材料本身強(qiáng)度和彈性模量降低，易屈服;另一方面，構(gòu)件受熱膨脹，受到周圍構(gòu)件的約束，溫度應(yīng)力增加較大所導(dǎo)致．但在設(shè)定火災(zāi)場景下，由于結(jié)構(gòu)整體性和超靜定次數(shù)較多，結(jié)構(gòu)整體豎向位移相對于整體跨度來說都不是很大，整體結(jié)構(gòu)仍然處于安全狀態(tài)．

4 結(jié)論

1)采用性能化防火設(shè)計(jì)與有限元分析相結(jié)合的方法對某機(jī)場航站樓屋頂整體鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明:副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結(jié)合部位在最不利火災(zāi)場景下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件離火源位置稍遠(yuǎn)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫升較小，從而這些部位的主桁架構(gòu)件由溫度增加的應(yīng)力較小，滿足承載力要求而不需要對其進(jìn)行防火保護(hù)．

2)航站樓主樓屋頂鋼構(gòu)件直接暴露在火源上方，火焰的強(qiáng)輻射、煙氣的熱對流和熱輻射使構(gòu)件快速升溫，一方面鋼材自身強(qiáng)度和模量降低，易屈服;另一方面，構(gòu)件受熱膨脹，受到周圍構(gòu)件的約束，溫度應(yīng)力增加較大．但由于結(jié)構(gòu)整體性和超靜定次數(shù)較多，結(jié)構(gòu)整體豎向位移相對于整體跨度來說都不是很大，整體結(jié)構(gòu)仍然處于安全狀態(tài)．

3)以某機(jī)場航站樓屋頂空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為背景，從結(jié)構(gòu)體系的整體安全的角度出發(fā)，考慮利用結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度來進(jìn)行有效的抗火設(shè)計(jì)，通過加強(qiáng)空間結(jié)構(gòu)的整體性和超靜定次數(shù)可以有效提高空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗火性能．

表3 屋頂鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力及整體結(jié)構(gòu)位移驗(yàn)算

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Performance-based fire resistance on airport terminal steel roof

WANG Hong-xin，ZHA Xiao-xiong，YU Min，WANG Hai-yang

(Civil Engineering，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，wanghongxin15@163．com)

Fire dynamics，heat transfer and finite element analysis method were used to obtain the fire resistance of airport terminal steel structure．First，the credible and most dangerous fire scenarios of airport terminal roof were adopt．Then，the fire dynamics software FDS and the heat transfer formula were used to get the temperature rise curves in the fire affected region．Finally，the model of the structure was set up by finite element method，the load conditions and temperature rise curves were combined to calculate the mechanical properties of the structure．The resulit shows that the internal force of some members in the structure are increased and even close to the design strength，but the vertical displacement of the structure is relatively small to the overall span of the structure，the structure is still in safe condition．From the perspective of overall security，it is efficient to carry out the fire-resistant design of structure by its own strength，and to improve the fire-resistant properties of the structure by strengthening the integrity and increasing the number of statically indeterminate．

airport terminal;steel structure;fire resistance;performance-based fire resistance

TU391

A

0367－6234(2011)08－0026－05

2010－03－26．

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目深港創(chuàng)新圈深科信(2009)37號．

王洪欣(1983—)，男，博士研究生;

查曉雄(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師．

(編輯 魏希柱)