變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)應用

王曉湧

摘? ? 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度也大大增加。電力系統(tǒng)作為支持城市運轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其安全穩(wěn)定性不僅關(guān)系自身的發(fā)展和運營，同時也具有非常廣泛的社會意義。隨著近年來鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的成熟，被廣泛的應用在變電站建設(shè)中。由于變電站火災發(fā)生風險較高，鋼結(jié)構(gòu)在火災抵抗能力上略有不足，因此，變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計成為了人們研究的重要課題。本文通過對變電站火災類型及防火特點分析，說明變電站火災對鋼結(jié)構(gòu)的影響。分析變電站鋼結(jié)構(gòu)在火災作用下發(fā)生破壞的特征，從而為鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計提供參考。通過采取相應的設(shè)計措施提高變電站鋼結(jié)構(gòu)防火能力，為變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計提供支持。

關(guān)鍵詞：變電站;鋼結(jié)構(gòu);防火性能化;設(shè)計;關(guān)鍵技術(shù)

1? 前言

變電站是城市供電的樞紐，一旦發(fā)生故障就會給城市運行造成巨大的影響。由于變電站電氣設(shè)備和線纜較多，如果防火性能不夠，極易發(fā)生火災風險。當前，大多數(shù)變電站采用鋼結(jié)構(gòu)建筑，在高溫作用下，鋼結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，引發(fā)更為嚴重的事故。導致變電站無法正常工作，帶來經(jīng)濟損失的同時，影響電力系統(tǒng)的正常運行。因此，變電站鋼結(jié)構(gòu)需要具備較高的防火性能，能夠抵抗一定的火災和高溫侵蝕，為社會發(fā)展提供穩(wěn)定的能源供應。

2? 變電站火災類型及特點分析

2.1? 火災類型及發(fā)生原因分析

（1）變電站線纜發(fā)生火災。在變戰(zhàn)中存在大量的線纜，一些線纜由于服役時間過長，早期線纜防火技術(shù)不完善，就會導致變電站線纜發(fā)生火災。通常情況下，變電站的線纜位于線纜管溝中，一旦發(fā)生火災就會引燃其他線纜，造成火勢蔓延，而且由于部分線纜隱蔽在地下或者保護裝置中，失火后難以進行有效控制。其中大部分變電站線纜都處于運行狀態(tài)，電纜發(fā)生火災后在電流作用下會迅速蔓延擴大，產(chǎn)生其他的起火點，帶來更加難以控制的火情。

（2）變電站電氣設(shè)備發(fā)生火災變電站中的電氣設(shè)備也是火災風險發(fā)生率較高的部位。由于變電站電氣設(shè)備非常精密，隨著使用時間的增加，設(shè)備就會老化，在工作中可能發(fā)生故障。一旦電氣設(shè)備發(fā)生故障，可能出現(xiàn)短路打火的情形，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并且處理，非常容易引發(fā)火災。當出現(xiàn)一個著火點后，就會對變電站電力系統(tǒng)整體的平衡性造成影響。電壓電流的劇烈變化會導致其他設(shè)備損壞，產(chǎn)生火災或者其他事故。由于大部分電氣設(shè)備帶有高壓，因此火災發(fā)生后難以有效控制，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全。

2.2? 變電站火災特點

（1）危害大。變電站發(fā)生火災事故最大的特點就是危害大，由于變電站存在大量的電力線路和設(shè)備，這些儀器設(shè)備往往價值非常高，發(fā)生火災事故之后，必然會給電力設(shè)備造成嚴重的損壞，帶來巨大的經(jīng)濟損失。而且變電站發(fā)生火災后，對城市的電力供應就會中斷，電能作為驅(qū)動城市運行的重要基礎(chǔ)能源，這種情況下城市斷電區(qū)域就會無法正常運行，產(chǎn)生的間接經(jīng)濟損失將會更加龐大。因此，變電站必須要做好火災防控，避免火災事故的發(fā)生。

（2）風險高。常規(guī)火災發(fā)生后產(chǎn)生的高溫和濃煙會威脅人們的生命安全。變電站發(fā)生火災后，其風險程度會成倍增加。不僅會產(chǎn)生高溫和濃煙，變電站中一些電力材料在高溫作用下會發(fā)生化學反應，生產(chǎn)有毒優(yōu)化物質(zhì)，帶來更加嚴重的威脅。而且變電站設(shè)備和線纜中存在著高壓電流，在火災發(fā)生后，線路暴露出來，常規(guī)的滅火方式不能有效阻止火災蔓延，其中存在的高壓電流還會時刻威脅人們的生命安全。所以，高風險是變電站火災的顯著特點。

（3）影響大。變電站發(fā)生火災后會造成巨大的影響。首先，變電站作為城市供電的樞紐，火災發(fā)生后城市一些區(qū)域會發(fā)生斷電，給城市運轉(zhuǎn)帶來影響。而且變電站火災造成設(shè)備損壞，損壞設(shè)備的維修恢復難度大，長期電力供應中斷就會造成城市運轉(zhuǎn)癱瘓，給民眾造成恐慌，甚至產(chǎn)生一些不良言論。其次，變電站發(fā)生火災后，會導致城市供電網(wǎng)絡(luò)運行受到干擾，造成城市用電設(shè)備的損壞，這些設(shè)備的損壞不僅會造成經(jīng)濟損失，也會影響人們對電力企業(yè)的信任，造成的損失難以估量。

3? 變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計的必要性分析

鋼結(jié)構(gòu)是當前大空間建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式，不僅具有較高的穩(wěn)定性和強度，同時還能提供非常巨大的室內(nèi)空間，相較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑，在工廠廠房、體育場館等需要較大室內(nèi)空間的設(shè)施中應用非常廣泛。變電站由于大型電器設(shè)備較多，所以多會采用鋼結(jié)構(gòu)建筑形式。雖然鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)點眾多，但是鋼結(jié)構(gòu)建筑存在一個較大的缺點，鋼結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性不足，抗火性能差。鋼材受熱之后會發(fā)生膨脹，而且高溫會導致鋼材屈服，使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定向下降。不僅如此，鋼材的導熱性能非常好，熱量會在鋼結(jié)構(gòu)體系中傳遞，影響結(jié)構(gòu)整體承載能力，最終發(fā)生破壞，造成嚴重的事故。通過實驗表明，鋼結(jié)構(gòu)在400度左右的強度只有常溫下的一半左右，當溫度達到600度之后，鋼材的強度和剛度基本完全喪失。變電站發(fā)生火災后，其溫度遠遠高于這個數(shù)值，對于鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性威脅巨大。

3.1? 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計存在缺陷

變電站鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計存在一定的缺陷。通常狀況下發(fā)生火災后延緩建筑倒塌速度，為疏散爭取時間是建筑設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。但是在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其防火等級是根據(jù)建筑類型確定的，通過耐火等級來選擇耐火極限符合要求的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。但是我國建筑工程發(fā)展迅猛，尤其是鋼結(jié)構(gòu)建筑推廣普及非常迅速，規(guī)范所劃定的鋼結(jié)構(gòu)耐火性能和指標已經(jīng)無法適應當前建筑的防火需求。尤其是在變電站中，作為電力的樞紐機構(gòu)，對于各方面的要求都非常高，按照鋼結(jié)構(gòu)耐火規(guī)范設(shè)計的變電站建筑在防火上具有較大的弊端，加之變電站火災防控難度較大，一旦發(fā)生火災難以滿足實際需要。因此變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計非常重要。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計優(yōu)勢明顯

鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計具有非常明顯的優(yōu)勢。防火性能化設(shè)計的目的就在于提高變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火等級，使其發(fā)生火災后具備更好的抵抗能力，能夠長時間在高溫和電流破壞下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，通過防火性能化設(shè)計能夠使變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑更加安全，給火災的處理爭取更多的時間。由此可見，變電站鋼結(jié)構(gòu)防火能力的提高能夠間接降低變電站火災的損失，對于變電站火災后的維修重建工作有著非常巨大的作用。

4? 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方向及火災下發(fā)生破壞分析

4.1? 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方向分析

鋼結(jié)構(gòu)防火性能設(shè)計主要是通過對鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和施工工藝改進，提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高溫穩(wěn)定性，從而降低鋼結(jié)構(gòu)建筑在火災中的損壞程度，使其在火災中能夠堅持更久的時間，為火災的處理和人員的疏散爭取更多的時間。從鋼結(jié)構(gòu)高溫變化的特征來看，鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計可以從以下兩個方面入手。其一，隔絕高溫與鋼結(jié)構(gòu)的接觸，從而使其在火災中堅持更久的時間。其二，降低溫度在鋼結(jié)構(gòu)中的傳到速度，防止溫度傳遞造成鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性降低。通過提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能，能夠為鋼結(jié)構(gòu)建筑開拓更大的應用空間。

4.2? 鋼結(jié)構(gòu)火災下發(fā)生破壞分析

鋼結(jié)構(gòu)在高溫下穩(wěn)定性會急劇衰減，然后發(fā)生破壞。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計形式的不同，其發(fā)生破壞的特征也會存在一定的區(qū)別，通過對其破壞情況的分析，能夠為鋼結(jié)構(gòu)防火性能的優(yōu)化提供參考，使其具備更好的耐火性，從而在變電站發(fā)生火災時具備更加穩(wěn)定的性能，為火災的處理和后期的恢復創(chuàng)造有利環(huán)境。

（1）門式剛架結(jié)構(gòu)火災下的破壞。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，門架式鋼結(jié)構(gòu)屬于應用廣泛的典型平面結(jié)構(gòu)形式之一。這種結(jié)構(gòu)類型在變電站建筑中應用也非常多。所以在發(fā)生火災時，研究門架式鋼結(jié)構(gòu)破壞的特征具有非常大的實際意義。以結(jié)構(gòu)形式最簡單的單層門架式鋼結(jié)構(gòu)為例，在火災高溫的作用下，門架式鋼結(jié)構(gòu)鋼架梁連接點豎向位移值變化呈現(xiàn)出先大后小在劇烈增加的情況，造成這一情況的原因是由于鋼結(jié)構(gòu)在高溫作用下發(fā)生膨脹，隨著溫度逐漸升高，當達到一定程度時，鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出屈服的特點，導致鋼結(jié)構(gòu)的塑性增加，發(fā)生較大的變形，而且溫度在鋼材中傳導造成鋼材屈服部位擴大，變形更加劇烈。最終導致結(jié)構(gòu)整體受力發(fā)生變化造成破壞。

（2）預應力柔性結(jié)構(gòu)火災下的破壞模式。預應力結(jié)構(gòu)與普通的剛性連接結(jié)構(gòu)不同，預應力柔性結(jié)構(gòu)的剛度主要依靠預應力鋼索提供。此結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下，能夠為鋼結(jié)構(gòu)的提供更好的穩(wěn)定性，受力由預應力索承擔能夠改變鋼結(jié)構(gòu)受力形式，使鋼結(jié)構(gòu)能夠承受不同情況下的荷載。以索網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，在不同荷載作用下，預應力索受到的力也是不同的，受力的鋼索會繃緊，而不受力的會松弛。當火災發(fā)生后，鋼索在高溫的影響下會與產(chǎn)生與鋼材同樣的變化，先是膨脹，然后屈服。由于鋼索主要承受拉力，所以會造成鋼索松弛失去應有的工作性能，造成鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。當溫度達到一定程度后，鋼結(jié)構(gòu)鋼材與鋼索都失去強度，建筑就會徹底被破壞。

5? 變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

能否增加再增加1點？關(guān)鍵技術(shù)只有2點好像有點奇怪，比如說：針對電氣火災特點制定防火分區(qū)，區(qū)別傳統(tǒng)型水噴霧或噴淋設(shè)施。使用無水基滅火裝置等等。

5.1? 應用防火涂料

當前，變電站鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計的主要技術(shù)形式就是采用防火涂料對鋼結(jié)構(gòu)進行防火處理。防火涂料涂刷在鋼結(jié)構(gòu)的表面后，其在高溫的作用下會發(fā)泡。膨脹發(fā)泡之后的防火涂料會形成結(jié)構(gòu)密實耐高溫的海綿狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部產(chǎn)生空心泡沫層將熱量隔離。這種結(jié)構(gòu)能夠有效降低鋼結(jié)構(gòu)對溫度的吸收，而且隨著火勢蔓延，其他區(qū)域的防火涂料也會隨之發(fā)泡，形成全方位的防護。根據(jù)防火涂料噴涂厚度可以分為不同的防火等級。而且防火涂料本身也分為高溫膨脹和高溫不膨脹兩類，從其效果上看，膨脹的防火涂料性能要更好一些。

5.2? 增加構(gòu)件尺寸

增加鋼結(jié)構(gòu)建筑的截面尺寸能夠有效提高其耐火能力。鋼結(jié)構(gòu)截面尺寸越大，其耐火能力就越好。而且在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計過程中，可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的受力形式，對其受力較大的節(jié)點進行強化設(shè)計，通過涂抹保護層、耐火材料和防火板材包裹等形式，提高關(guān)鍵節(jié)點的耐火能力，使鋼結(jié)構(gòu)能夠具備更好的高溫穩(wěn)定性，為變電站發(fā)生火災時爭取更加充裕的時間。

5.3? 防火分區(qū)設(shè)置

變電站火災發(fā)生后風險遠超常規(guī)火災，不僅存在高溫和有害氣體，高壓電對于火災的搶救工作造成了巨大的障礙，常規(guī)滅火方式不僅效果不佳，而且可能威脅人們的生命安全。所以在變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑中，需要針對其使用功能設(shè)計針對性的防火措施。根據(jù)高壓線路和設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)設(shè)置為單獨防火分區(qū)，滅火方式采用無水基滅火，能夠避免短路和水侵蝕造成設(shè)備二次損壞。防火分區(qū)之間設(shè)置相應的防火隔離帶，能夠有效減緩火災蔓延速度，為火災的施救爭取時間，降低損失。

6? 結(jié)束語

綜上所述，變電站作為電力系統(tǒng)的重要樞紐，必須具備極高的防火性能。鋼結(jié)構(gòu)作為變電站中應用較為廣泛的建筑形式，高溫穩(wěn)定性差是非常嚴重的缺陷。為了提高變電站鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能，防火性能化設(shè)計非常必要。通過對火災特點、鋼結(jié)構(gòu)高溫破壞形式和鋼結(jié)構(gòu)防火性能提升設(shè)計的探討，能夠為鋼結(jié)構(gòu)防火性能化設(shè)計提供參考，促進其防火技術(shù)的發(fā)展進步。

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