變電站鋼結(jié)構(gòu)常規(guī)抗火方法及新型抗火方法探討

汪 洋，李 攀，張 凱

(1. 蘇州電力設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092)

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、抗震性能好等優(yōu)點，但火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)性能受溫度影響十分明顯。變電站涉及用電安全和經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，必須考慮結(jié)構(gòu)抗火問題。

結(jié)構(gòu)抗火是一個非常復(fù)雜的綜合性問題，包括火災(zāi)下室內(nèi)溫度場、高溫下建筑結(jié)構(gòu)鋼材的物理性能和力學(xué)性能、火災(zāi)模型、抗火性能指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)抗火性能設(shè)計與計算等。從現(xiàn)有火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等情況來看，目前常用的幾種抗火措施并未起到理想效果。本文分析影響鋼結(jié)構(gòu)抗火的關(guān)鍵問題，剖析常規(guī)抗火方法的原理和特點，探討抗火方法的新思路，對于變電站結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)抗火研究具有工程指導(dǎo)意義和前瞻性科學(xué)研究價值。

1 鋼結(jié)構(gòu)抗火的關(guān)鍵問題分析

1.1 高溫下鋼材的物理性能和力學(xué)性能

鋼材作為一種金屬材料，雖然材料本身不具有可燃性，但是其物理性能和力學(xué)性能受溫度的影響非常大[1-3]。

(1)熱膨脹系數(shù)。自然界中多數(shù)材料，尤其是鋼材在溫度變化時均會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。

(2)導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明，當(dāng)溫度處于750 ℃或800 ℃以下時，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)與溫度成反比，但是當(dāng)溫度超過800 ℃時，鋼材導(dǎo)熱系數(shù)大小基本保持穩(wěn)定。

(3)比熱容。研究表明，在溫度低于750 ℃時，鋼材比熱容隨溫度的升高而增大，但是當(dāng)溫度到達(dá)750 ℃左右之后，鋼材比熱容達(dá)到極值點后急劇變小，最終趨于穩(wěn)定。

(4)密度。鋼材密度受溫度的影響較小，可以忽略其在高溫下的變化。

(5)彈性模量。彈性模量反映了材料發(fā)生單位變形時，外界所施加力的大小。根據(jù)現(xiàn)有抗火研究，鋼材彈性模量隨溫度的變化比較大，在20～600 ℃和600～1 000 ℃兩段溫度范圍內(nèi)變化趨勢不同?？傮w來說鋼材彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。

(6)等效屈服強(qiáng)度。在高溫下，鋼材屈服強(qiáng)度會因為溫度的升高而逐漸減小。發(fā)生變形破壞時并不會表現(xiàn)出一個極限屈服平臺。判定高溫下結(jié)構(gòu)鋼是否達(dá)到了屈服的標(biāo)準(zhǔn)，往往根據(jù)相應(yīng)溫度下鋼材應(yīng)變的大小來判定。各國根據(jù)自己的研究成果，制定了適合本國國情的判斷標(biāo)準(zhǔn)，基本是按照應(yīng)變的0.2%、0.5%、1.5%或者2.0%所對應(yīng)的應(yīng)力大小作為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響破壞的判定標(biāo)準(zhǔn)。

(7)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。高溫下鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜，國際上對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究也有很多，根據(jù)高溫下結(jié)構(gòu)鋼的變形破壞特點，總體上可把鋼材應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)分為3個階段：比例極限階段，彈塑性階段以及坍縮破壞階段。在第一階段，鋼材隨溫度的變化不大，隨著溫度的升高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線尚為線性關(guān)系；當(dāng)?shù)搅藦椝苄噪A段，隨著金屬晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，構(gòu)件發(fā)生塑性流動，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量也隨著溫度的升高而減小，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變呈現(xiàn)一種比較復(fù)雜的非線性關(guān)系；最后在溫度持續(xù)升高的情況下，應(yīng)力不變，應(yīng)變激增，結(jié)構(gòu)徹底失穩(wěn)，發(fā)生坍縮破壞。

(8)泊松比。隨著溫度的變化，鋼材的泊松比會有所波動，但是波動范圍較小。

由以上分析可以得知，高溫對鋼材各個物理和力學(xué)參數(shù)的影響不同，各個國家對于鋼材的熱膨脹系數(shù)均在規(guī)范中給出了不同的計算方法[4-5]。

為了計算方便，我國在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計時，通常把熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、泊松比等作為常數(shù)量，而把彈性模量、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等分別表示為溫度變量的函數(shù)關(guān)系，見表1。

表1 高溫下鋼材的物理和力學(xué)參數(shù)

1.2 火災(zāi)鋼結(jié)構(gòu)的破壞原因和形式

在高溫作用下，鋼材物理性能和力學(xué)性能，除了密度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等總體上都隨著溫度的升高而變大。而鋼材的彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等隨著溫度的升高而下降，塑性和蠕變性能隨溫度的升高而增加[6]。

在火災(zāi)高溫作用下，鋼材有兩種響應(yīng)：一是高溫下鋼材料膨脹；二是高溫下鋼材的軟化。以下分析火災(zāi)高溫作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的兩種破壞形式。高溫下鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形如圖1所示。由于鋼材在火災(zāi)高溫持續(xù)作用下產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng)，隨溫度升高鋼結(jié)構(gòu)體積持續(xù)增大。受熱鋼結(jié)構(gòu)對相連鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生推力，并使其發(fā)生位移偏離。高溫下鋼結(jié)構(gòu)熱軟化變形如圖2所示。當(dāng)火災(zāi)溫度達(dá)到鋼材的軟化溫度時，受熱鋼結(jié)構(gòu)失去全部或部分承載能力，相連鋼結(jié)構(gòu)再一次產(chǎn)生位移偏離?；馂?zāi)高溫作用下鋼結(jié)構(gòu)的每一次位移偏離，都可能引起超靜定框架體系的不穩(wěn)定性，引發(fā)連續(xù)性垮塌。

圖1 高溫下鋼結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形

圖2 高溫下鋼結(jié)構(gòu)的熱軟化變形

1.3 關(guān)鍵科學(xué)問題

通過分析可以看出，火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)破壞的原因是火災(zāi)產(chǎn)生高溫集中熱量作用下材料的微觀和宏觀效應(yīng)。結(jié)構(gòu)抗火的關(guān)鍵問題具體如下。

(1)如何有效堵截火災(zāi)高溫集中熱量對結(jié)構(gòu)的影響。

(2)如何有效疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)上火災(zāi)高溫集中熱量。

(3)如何有效提高結(jié)構(gòu)自身的抗火能力。

表2 常規(guī)抗火方法分類及特點

2 常規(guī)抗火方法原理及分類

2.1 常規(guī)抗火方法

鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)時間是按照建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限來確定的[7-8]。

目前，常見鋼結(jié)構(gòu)抗火方法主要有噴涂法、屏蔽法、包封法、充水冷卻法、噴淋法、新材料法等。噴涂法，是指直接在構(gòu)件表面噴涂防火涂料、防火噴射纖維等隔熱材料。屏蔽法，是把鋼結(jié)構(gòu)包藏在耐火材料組成的堵體或吊頂內(nèi)。包封法，是在鋼結(jié)構(gòu)表面用現(xiàn)澆混凝土、防火板、耐火磚、礦物纖維、砂漿或灰膠泥等做耐火保護(hù)層把鋼構(gòu)件包裹起來，從而起到防火作用。充水冷卻法，是指將鋼構(gòu)件制成空心體，在空心鋼構(gòu)件內(nèi)填充經(jīng)處理后的水，一旦發(fā)生火災(zāi)，讓水循環(huán)帶走熱量，保護(hù)鋼構(gòu)件，達(dá)到提高耐火極限的目的。噴淋法，是在發(fā)生火災(zāi)時，結(jié)構(gòu)體系空間內(nèi)某一位置噴出水，降低空氣溫度和構(gòu)件溫度，從而減緩或阻斷火災(zāi)的發(fā)生。新材料法，是從改變鋼材在高溫下性能角度出發(fā)，研發(fā)各種耐火鋼材。在高溫下耐火鋼的物理性質(zhì)與普通鋼相似，但是力學(xué)性能有較大的改善[9]。在600 ℃時，鋼結(jié)構(gòu)件耐火鋼的屈服強(qiáng)度高于室溫強(qiáng)度值，彈性模量保持室溫2/3值的75%左右。

2.2 常規(guī)抗火方法分類

常規(guī)抗火方法分類及特點如表2所示。

由材料分析可以看出：噴涂法、屏蔽法、包封法是從鋼結(jié)構(gòu)外表面采取措施對火災(zāi)高溫進(jìn)行堵截；充水法、噴淋法是采取措施將火災(zāi)高溫?zé)崃窟M(jìn)行疏導(dǎo)；而新材料法，則是提高鋼材高溫下的物理和力學(xué)力學(xué)性能。本文按照防火原理不同，將現(xiàn)有防火方法分為3類：堵截?zé)崃糠?、疏?dǎo)熱量法、提高性能自強(qiáng)法。堵截類方法，具有施工方便、裝飾性好、成本低、無環(huán)境污染、后期維護(hù)工作量小等優(yōu)點，目前是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的最佳選擇。談建國等指出噴涂法、屏蔽法、包封法，提高耐火極限能力一般在0.5～3.0 h，而且耐久性差、容易脫落[10]。充水法，理論上最有效，但是需要考慮水對鋼材的腐蝕、水的靜壓及水的循環(huán)控制系統(tǒng)及施工方面等問題，故不太適合采用。噴淋法，原理簡單，但是根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，高度超過 8 m 的大空間建筑物，安裝自動噴水滅火系統(tǒng)的作用不大[6]。新材料法，耐火鋼在實際應(yīng)用上，是不經(jīng)濟(jì)的。一般只對局部應(yīng)用。

3 常規(guī)抗火方法原理的矛盾之處

通過分析可以發(fā)現(xiàn),各種抗火方法均存在明顯的優(yōu)點和缺點。從抗火原理角度，分析堵截法和疏導(dǎo)法的矛盾之處。

3.1 堵截類抗火方法的矛盾之處

堵截法是在外表面采用一定性質(zhì)和厚度的材料對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生防護(hù)作用，而這種防火材料的抗火性能一般優(yōu)于鋼材。比如，選用導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于鋼材的建筑材料。

堵截法原理的矛盾性示意如圖3所示。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，局部范圍保護(hù)層在高溫作用下產(chǎn)生破壞脫落。脫落入鋼材承受高溫?zé)崃浚⑾騼蓚?cè)傳導(dǎo)，但是由于兩側(cè)保護(hù)層的存在，阻擋了與空氣的對流散熱。同時，除保護(hù)層脫落處，其余地方也不能采取救火措施對鋼結(jié)構(gòu)降溫。堵截法的保護(hù)層是為了提高耐火極限，但是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時卻不利于救火和熱量散失，反而降低了鋼材的耐火極限。綜上所示，當(dāng)發(fā)生意外火災(zāi)時，低性能保護(hù)層在短時間內(nèi)能產(chǎn)生堵截效應(yīng)而具有一定的保護(hù)作用，但保護(hù)層的存在不利于鋼材對高熱量的散失，以及難以采取急救措施。

圖3 堵截法原理的矛盾性示意圖

3.2 疏導(dǎo)類抗火方法的矛盾之處

疏導(dǎo)法原理的矛盾性示意如圖4所示。當(dāng)設(shè)計噴淋點與實際著火點距離較遠(yuǎn)超出有效噴淋范圍時，著火點仍然持續(xù)產(chǎn)生高溫作用，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部充水量不足或由于某種原因無法充水時，仍然會導(dǎo)致火災(zāi)高溫破壞。綜上所述，火災(zāi)發(fā)生地點和火災(zāi)規(guī)模都可能是意外，充水法有可能出現(xiàn)水量不足、甚至缺水的問題，而噴淋法可能面臨無法完全覆蓋著火點的問題。

圖4 疏導(dǎo)法原理矛盾性示意圖

4 新型抗火方法探討

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展背景下，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍越來越廣，采用鋼框架變電站也成為供電系統(tǒng)的重要選擇方式。

由于疏導(dǎo)類抗火方法需要大量的配套設(shè)施，考慮經(jīng)濟(jì)性因素，鋼結(jié)構(gòu)抗火一般采用堵截類抗火方法。文獻(xiàn)[11]指出城市國內(nèi)生產(chǎn)總值(GPD)與火災(zāi)數(shù)量是正相關(guān)性。這說明，在經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展下，常規(guī)抗火措施并未起到明顯的抑制作用。抗火方法研究，仍然是建筑界的一個重點關(guān)注的熱點[12]。常規(guī)抗火方法在原理上就存在矛盾之處，應(yīng)該探討新型抗火方法。

4.1 基于蜂窩梁的變電站鋼結(jié)構(gòu)抗火方法

蜂窩梁由于輕質(zhì)高強(qiáng)的特點，被廣泛應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)中，在火災(zāi)下更有利于懸鏈效應(yīng)的發(fā)展。文獻(xiàn)[13]采用試驗研究了有防火保護(hù)及無防火保護(hù)的實腹梁及蜂窩梁在火災(zāi)下的升溫情況。結(jié)果表明，火災(zāi)下沒有進(jìn)行防火保護(hù)的實腹梁及蜂窩梁翼緣和腹板在升溫速度基本一致。蜂窩梁蜂窩孔的設(shè)計，引起截面溫度不均勻分布，使得鋼梁撓度升溫初期較大，但總體撓度較實腹梁要小。文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了10組火災(zāi)試驗研究了不同連接形式(包括靖板連接、柔性端板連接、平端板連接、腹板夾板連接及外伸端板連接)對火災(zāi)下鋼梁懸鏈效應(yīng)發(fā)展的影響。試驗結(jié)果表明，平端板連接抗拉承載力較高，但破壞模式屬于脆性破壞，腹板夾板連接的延性較好，火災(zāi)下受力性能最好。文獻(xiàn)[15]指出小荷載和大跨高比的蜂窩梁在火災(zāi)時能充分發(fā)揮懸鏈效應(yīng)，當(dāng)孔洞位于腹板下方時，由于截面上部溫度較低，更能發(fā)揮蜂窩梁的極限溫度。

由分析可知，蜂窩梁能提高火災(zāi)時結(jié)構(gòu)的受力性能和耐火極限溫度。查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，未發(fā)現(xiàn)將蜂窩梁應(yīng)用于變電站鋼結(jié)構(gòu)的研究。因此，在未來的抗火研究中，應(yīng)該考慮蜂窩梁形式的變電站鋼結(jié)構(gòu)。

4.2 基于熱管的結(jié)構(gòu)抗火方法

通過高溫下鋼結(jié)構(gòu)的破壞原理分析可知，材料對高溫下熱量響應(yīng)是火災(zāi)破壞的主要原因。通過常規(guī)抗火方法原理分析可以得知，任何抗火方法都是對高溫下熱量的處理方式。疏導(dǎo)法對抗火最有效，但是存在理論簡單但實際應(yīng)用困難的問題。堵截法不能有效地將熱量導(dǎo)出，反而不利于防火。抗火性能的關(guān)鍵問題是火災(zāi)產(chǎn)生的高溫集中熱量的有效散失問題。

鋼的導(dǎo)熱系數(shù)一般在45 W·(m·K)-1左右，這意味著在一定時間內(nèi)，1 m厚鋼材，溫差為1 ℃時通過1 m2面積傳遞的熱量只有45 W。低效的熱量傳遞，必然引起熱量集中無法散失，進(jìn)而引起局部鋼材的高溫軟化破壞。從另一方面講，將集中熱量迅速導(dǎo)出，必然會減少鋼材高溫軟化的可能，從而提高鋼材的耐火極限。

熱管是一種高效傳熱元件,它通過一個很小的面積可以傳遞大量的熱量。除了傳熱效率高之外,它還具有體積緊湊、重量輕、無噪聲等優(yōu)點。熱管的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)超過任何一種已知的金屬。文獻(xiàn)[16]在重力式熱管研究中指出，熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)3 000～15 000 W·(m·℃)-1。即熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)是鋼材導(dǎo)熱系數(shù)的66～333倍。文獻(xiàn)[17]指出目前熱管技術(shù)已經(jīng)基本成熟，處于推廣應(yīng)用和研發(fā)應(yīng)用階段。因此，將鋼結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計為熱管形式或外部布置熱管，必然能顯著提高鋼結(jié)構(gòu)高溫?zé)崃康膫鲗?dǎo)能力，從而延緩高溫破壞的時間甚至避免。

5 結(jié)語

(1)深入鋼材火災(zāi)破壞機(jī)理分析，指出了結(jié)構(gòu)抗火的3個關(guān)鍵問題：如何有效堵截火災(zāi)高溫集中熱量對結(jié)構(gòu)的影響；如何有效疏導(dǎo)結(jié)構(gòu)上火災(zāi)高溫集中熱量；如何有效提高結(jié)構(gòu)自身的抗火能力。

(2)分析了常見抗火方法原理，提出了堵截法、疏導(dǎo)法、新材料的抗火分類方法。

(3)分析了堵截法抗火原理的矛盾之處：保護(hù)層在一定程度上提高了耐火極限，但是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時卻不利于救火和熱量散失，反而降低結(jié)構(gòu)的耐火極限。

(4)從抗火原理角度，探討了蜂窩梁形式用于變電站鋼結(jié)構(gòu)抗火的可行性。

(5)從抗火原理角度，探討了熱管技術(shù)用于結(jié)構(gòu)抗火時，可以顯著提高結(jié)構(gòu)抗火性能的全新思路。