大型馬戲館鋼結(jié)構(gòu)屋頂防火保護(hù)分析＊

游素珍

(福建省消防協(xié)會(huì)，福建 福州 350003)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，大型馬戲館在各大城市逐漸增多，極大地豐富了人們的業(yè)余文化生活。大型馬戲館屬于高大空間建筑，且多采用鋼結(jié)構(gòu)屋面，鋼材雖為非燃材料，但耐火性能較差，如果建筑中的鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有采取防火保護(hù)措施，一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，近年來(lái)以“9.11”恐怖襲擊中倒塌的世貿(mào)大廈為代表的國(guó)內(nèi)外多起火災(zāi)后倒塌的事故案例均說(shuō)明了這一點(diǎn)［1－3］。但大型馬戲館為大空間建筑，發(fā)生火災(zāi)時(shí)內(nèi)部的升溫曲線不同于普通建筑。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法計(jì)算火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的溫升，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)進(jìn)行分析，確定鋼結(jié)構(gòu)是否需要進(jìn)行保護(hù)以及如何保護(hù)，為此類建筑的防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 大型馬戲館火災(zāi)危險(xiǎn)性

1.1 概況

某大型馬戲館是國(guó)內(nèi)首家以國(guó)際馬戲表演、馬戲博覽為主，集旅游觀光、休閑娛樂(lè)、文化教育為一體的大型馬戲樂(lè)園主題旅游區(qū)。馬戲主場(chǎng)館為主體單層，觀眾臺(tái)下有部分夾層的大空間大跨度的大型場(chǎng)館建筑。主體檐口高度為23.60 m，穹頂最大高度達(dá)到44.0 m。占地面積為13410.23 m2，總建筑面積為19127.87 m2。為目前國(guó)內(nèi)最大的馬戲表演場(chǎng)館。馬戲主場(chǎng)館設(shè)計(jì)外形為橢圓的形狀，觀眾看臺(tái)以內(nèi)部表演舞臺(tái)為中心圓心向周圍放射分布，總座位約為8500個(gè)。該馬戲館表演主場(chǎng)館采用了鋼結(jié)構(gòu)屋面，耐火等級(jí)為一級(jí)，按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)［4］規(guī)定，屋頂承重構(gòu)件的耐火極限不小于1.0 h。

1.2 馬戲館火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

馬戲館的主要功能為演藝娛樂(lè)，存在以下主要火災(zāi)危險(xiǎn)。

(1)舞臺(tái)上可燃物集中，容易發(fā)生火災(zāi)。舞臺(tái)通常鋪設(shè)木地板，后臺(tái)上經(jīng)常堆放大量的布景、道具、服裝、箱子等可燃物，并且舞臺(tái)上懸掛大量的幕布。若在臺(tái)上吸煙，或?yàn)樵黾友莩鲂Ч谂_(tái)上使用明火煙霧，使用高溫?zé)艟哒丈湮枧_(tái)，均容易引起火災(zāi)。

(2)電氣設(shè)備和用電線路多，用電量大，電氣火災(zāi)隱患多。馬戲館設(shè)置有大量燈光、放映、音響、空調(diào)、發(fā)電、變電等電氣設(shè)備，在演出過(guò)程中，舞臺(tái)上需使用很多照明燈和效果燈，耗電量很大。同時(shí)各種用電線路也十分復(fù)雜，如果安裝不良，電線老化，或者三相用電不平衡，造成局部過(guò)載，會(huì)使電氣線路發(fā)熱，絕緣層加速老化損壞，發(fā)生漏電、短路而引起火災(zāi)。

(3)發(fā)生火災(zāi)蔓延快，燃燒猛烈。由于馬戲館有大量可燃構(gòu)件和可燃設(shè)備，且分布不均，有的還處于垂直和懸吊狀態(tài)。并且建筑跨度大，空間高，空氣流通好。所以在發(fā)生火災(zāi)的情況下，火勢(shì)會(huì)迅速向上竄入悶頂并蔓延開(kāi)來(lái)，形成大面積的立體燃燒。

(4)易造成眾多人員的傷亡事故。馬戲館在演出時(shí)人員高度集中，如果在此時(shí)發(fā)生火災(zāi)，人們對(duì)發(fā)生火災(zāi)沒(méi)有思想準(zhǔn)備，會(huì)引起場(chǎng)內(nèi)觀眾驚慌失措，造成秩序混亂，互相擁擠，甚至發(fā)生踩踏事故。當(dāng)失控人群一齊擁向出口時(shí)，若疏散出口數(shù)量不足會(huì)造成疏散困難，使人員無(wú)法安全撤離現(xiàn)場(chǎng)。

2 鋼結(jié)構(gòu)失效判斷標(biāo)準(zhǔn)及分析方法

本建筑屋頂剛結(jié)構(gòu)安全目標(biāo)主要為:在受火或高溫作用時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)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，利用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件FDS模擬計(jì)算和《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》(CECS 200:2006)［5］提供的公式計(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溫度，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溫度，則提出鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)的具體方案。

對(duì)鋼構(gòu)件的耐火安全主要考慮鋼結(jié)構(gòu)梁、柱及屋架在受火或高溫條件的穩(wěn)定性與允許變形。不同構(gòu)件可承受的溫度條件是不同的，耐火實(shí)驗(yàn)和研究表明，建筑用鋼(Q235和Q345鋼等)在全負(fù)荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的機(jī)械性能隨溫度的不同而有變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和彈性模量E的總趨勢(shì)是降低的，但在150℃以下時(shí)變化不大。當(dāng)溫度在250℃ 左右時(shí)，鋼材的fu反而有較大提高，但此時(shí)的相應(yīng)伸長(zhǎng)率δ較低，沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時(shí)常呈脆性破壞特征，稱為“藍(lán)脆”。如在“藍(lán)脆”溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鋼材的機(jī)械加工，則易產(chǎn)生裂紋，故應(yīng)力求避免;當(dāng)溫度超過(guò)300℃時(shí)，鋼材的fy，fu和E開(kāi)始顯著下降，而δ開(kāi)始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變;當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低;在500℃左右，其強(qiáng)度下降到40% ～50%［6］，鋼材的力學(xué)性能諸如屈服點(diǎn)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于建筑結(jié)構(gòu)所要求的屈服強(qiáng)度。

我國(guó)20世紀(jì)90年代初對(duì)裸露鋼梁的耐火極限進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了I36b和I40b標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁的耐火極限分別為15 min和16 min(鋼梁內(nèi)部達(dá)到臨界溫度:平均溫度538℃，最高溫度649℃)。此外，美國(guó)鋼鐵研究所(American Iron and Steel Institute)的研究結(jié)果也表明，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)降低到它正常值的60%。從圖1中鋼的強(qiáng)度、彈性模量在高溫下的折減系數(shù)圖可以看出，當(dāng)鋼材的溫度在300℃以內(nèi)時(shí)，其強(qiáng)度和彈性模量下降較小，基本在其正常值的80%以上［7］，而超過(guò)300℃以后，強(qiáng)度下降較為迅速。因此，本文將該國(guó)際馬戲館表演大廳屋頂鋼結(jié)構(gòu)失效的臨界溫度設(shè)為300℃。

圖1 高溫下鋼材強(qiáng)度折減系數(shù)Fig.1 The reduction coefficient of steel strength under high temperature

圖2 高溫下鋼材的彈性模量降低系數(shù)Fig.2 The reduction coefficient of steel elastic modulus under high temperature

3 火災(zāi)下屋頂鋼結(jié)構(gòu)溫升模擬分析

3.1 火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定

設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景是綜合考慮火災(zāi)的可能性與潛在的后果，從可能的火災(zāi)場(chǎng)景中選擇出供分析的火災(zāi)場(chǎng)景，主要考慮的因素包括火源位置、火災(zāi)發(fā)展速率和火災(zāi)的可能最大熱釋放速率、消防系統(tǒng)的可靠性等。為模擬計(jì)算火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)臏厣?，考慮了舞臺(tái)區(qū)火災(zāi)和座椅區(qū)火災(zāi)2種情況，火源位置如圖1所示。按最不利原則設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景，考慮在自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及機(jī)械排煙系統(tǒng)均失效的情況，火災(zāi)場(chǎng)景見(jiàn)表1。

圖3 火源位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the fire source

3.2 模擬軟件介紹

采用由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)開(kāi)發(fā)的FDS［8－10］。該軟件可靠性高且未受到任何具有經(jīng)濟(jì)利益及與之相連的其他團(tuán)體的影響，在世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。FDS通過(guò)數(shù)值方法求解湍流方程來(lái)分析燃燒過(guò)程中的煙氣擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)，包含燃燒模型、熱輻射模型和熱解模型等。燃燒模型采用混合分?jǐn)?shù)模型，模型假設(shè)燃燒受混合因素多方控制，燃料和氧氣的反應(yīng)速度無(wú)限快，所有的反應(yīng)物和燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量比可以由狀態(tài)方程以及經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出來(lái)。利用FDS建立計(jì)算模型，如圖2所示。

圖4 馬戲館FDS模型Fig.4 FDS model of circus museum

表1 火災(zāi)場(chǎng)景Table 1 Fire Scenarios

3.3 模擬結(jié)果

圖5給出了設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下馬戲館內(nèi)部火羽流中心剖面溫度分布云圖。由模擬結(jié)果可知，在最不利工況設(shè)置條件下火羽流上方鋼結(jié)構(gòu)溫度均不超過(guò)300℃，其中火源位于舞臺(tái)表演區(qū)時(shí)，屋頂鋼結(jié)構(gòu)溫度處于較低狀態(tài)，約為120℃;火源位于觀眾座椅區(qū)時(shí)，屋頂鋼結(jié)構(gòu)溫度處于較高狀態(tài)，約為190℃。

圖5 火羽流中心剖面溫度分布云圖Fig.5 The temperature distribution of plume center section

4 火災(zāi)下屋頂鋼結(jié)構(gòu)溫升理論分析

4.1 火災(zāi)下高大空間空氣溫升

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》，高大空間是指高度不小于6 m，獨(dú)立空間地面面積不小于500 m2的建筑空間，本項(xiàng)目馬戲城表演大廳面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500 m2，故屬于高大空間建筑。高大空間建筑火災(zāi)中的空氣升溫過(guò)程可按下式確定:

式中:T(x，z，t)為對(duì)應(yīng)于 t時(shí)刻，與火源中心水平距離為x(m)、與地面垂直距離為z(m)處的空氣溫度(℃);Tg(0)為火災(zāi)發(fā)生前高大空間內(nèi)的平均溫度，取23℃;Tz是火源中心距地面垂直距離為z(m)處的最高空氣升溫(℃);β為根據(jù)火焰功率類型和火災(zāi)增長(zhǎng)類型查表可得的系數(shù);b為火源形狀中心至火源最外邊緣的距離(m);η為溫度衰減系數(shù)(無(wú)量綱)，查表可得;μ為查表可得的系數(shù)。

4.2 火災(zāi)下高大空間空氣溫升

火災(zāi)下鋼構(gòu)件的升溫可按式(2)所示的增量法計(jì)算，其初始溫度取23℃。

式中:Δt為時(shí)間增量(s)，不宜超過(guò)30 s;Ts為鋼構(gòu)件溫度(℃);Tg為火災(zāi)下鋼構(gòu)件周圍空氣溫度(℃);B為鋼構(gòu)件單位長(zhǎng)度綜合傳熱系數(shù)［W/(m3·℃)］;Cs為鋼材的比熱容，取值600 J/(kg·℃);ρs為鋼材的密度，取值7850 kg/m3。

為保守計(jì)算，考慮鋼構(gòu)件無(wú)防護(hù)層下的升溫情況，則鋼構(gòu)件單位長(zhǎng)度綜合傳熱系數(shù)可按下列公式計(jì)算:

式中:F為構(gòu)件單位長(zhǎng)度的受火表面積(m2/m);V為構(gòu)件單位長(zhǎng)度的體積(m3/m);αc是對(duì)流傳熱系數(shù)，取αc=25 W/(m2·℃);αr為輻射傳熱系數(shù)［W/(m2·℃)］;εr是綜合輻射率，通常取 εr=0.5;σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10－8W/(m2·K4)。

4.3 理論計(jì)算結(jié)果

利用上述計(jì)算方法對(duì)設(shè)定火源位置處火災(zāi)對(duì)屋頂鋼結(jié)構(gòu)造成的影響進(jìn)行分析。

4.3.1 舞臺(tái)表演區(qū)火災(zāi)

舞臺(tái)表演區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)為t2快速火，火源功率為10 MW、增長(zhǎng)系數(shù)0.04689 kW/s2，火源位于地面1 m高處，屋頂鋼結(jié)構(gòu)位于離地面約24 m高處。參考相關(guān)資料和公式，通過(guò)計(jì)算，取Tz=80℃，β =0.002，η =0.55，μ =6.0，F(xiàn)/V=200。通過(guò)MTLAB編程計(jì)算，得到舞臺(tái)火災(zāi)時(shí)火羽流中心上方鋼構(gòu)件溫度變化如圖6(a)所示。

4.3.2 看臺(tái)座椅區(qū)火災(zāi)

看臺(tái)座椅區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)為t2快速火，火源功率為 8.8 MW，增長(zhǎng)系數(shù) 0.0244 kW/s2，火源位于14 m高處，屋頂鋼結(jié)構(gòu)位于約22.5 m高處。參考相關(guān)資料和公式，通過(guò)計(jì)算，取Tz=110℃，β=0.003，η =0.4，μ =8.0，F(xiàn)/V=200。通過(guò) MTLAB編程計(jì)算，得到舞臺(tái)火災(zāi)時(shí)火羽流中心上方鋼構(gòu)件溫度變化如圖6(b)所示。

圖6 火羽流中心上方鋼構(gòu)件溫度變化Fig.6 The temperature change of steel member over the plume center

根據(jù)圖6所示的不同火源位置上方鋼結(jié)構(gòu)溫度變化可知:(1)舞臺(tái)表演區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，鋼構(gòu)件最高溫度小于150℃，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響較小;(2)看臺(tái)座椅區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，鋼構(gòu)件最高溫度小于200℃，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響較小。

5 結(jié)論

(1)舞臺(tái)表演區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于屋頂鋼結(jié)構(gòu)離地面距離較高，鋼構(gòu)件溫升有限，其最高溫度小于150℃，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響較小，不會(huì)超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的極限溫度。

(2)看臺(tái)座椅區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，鋼構(gòu)件最高溫度小于200℃，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)影響較小。

(3)在各設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景條件下，馬戲主場(chǎng)館的屋頂鋼結(jié)構(gòu)均沒(méi)有達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)失效的臨界溫度300℃，屋頂鋼結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行防火保護(hù)。

(4)采用FDS數(shù)值模擬與理論計(jì)算方法所得結(jié)果比較接近，說(shuō)明可用FDS對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火分析。

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