●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)時的消防安全問題,本文以天津梅江會展中心為例進(jìn)行模擬研究。該會展中心占地面積 85 400m2,總建筑面積98 000m2。建筑高度為 36.3m。一層為登錄大廳、主會議廳、六個展覽廳、廚房及設(shè)備用房,二層為會議室及設(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,不會產(chǎn)生過大形變或位移,不會失去承載能力而垮塌。建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計的性能判定標(biāo)準(zhǔn)目前主要根據(jù)建筑構(gòu)件的失效標(biāo)準(zhǔn)來確定,即無論是構(gòu)件還是整體結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計,均應(yīng)滿足下列要求之一：(1)在規(guī)定的結(jié)構(gòu)耐火時間內(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,若取結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限狀態(tài)時的內(nèi)部溫度為臨界溫度 Td,則應(yīng)不小于在耐火極限時間內(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)場景,利用國際標(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)力將會降低到其正常值的 60%。當(dāng)鋼材的溫度小于 300℃時,其強(qiáng)度下降較小,而超過 300℃以后,強(qiáng)度下降較為迅速。為安全起見,本文將天津梅江會展中心鋼屋架結(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)公式計算法

2.1.1 計算公式

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

綜合以上各式,鋼構(gòu)件的溫升可按式(4)計算。

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為單位長度鋼構(gòu)件體積(m3·m-1);Cpst為鋼的比熱。Cpst可按式(7)計算：

2.1.2 計算結(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,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,本文同時計算了有一定高度的展位發(fā)生火災(zāi)時鋼構(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,因此本文根據(jù)國際標(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)增長系數(shù)為 0.047kW·s-2。對于展覽廳,若自動噴水滅火系統(tǒng)失效,則需要專業(yè)消防人員進(jìn)行撲救,考慮到我國消防隊(duì)員在接警后 5min到達(dá)火場,并在火災(zāi)發(fā)生后 10min開展有效的滅火戰(zhàn)斗并控制火勢的發(fā)展。因此,在自動噴水滅火系統(tǒng)失效時,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),通過迭代的方式可計算得到典型鋼構(gòu)件溫度曲線如圖 1～圖 3所示。從圖 1～圖 3可以看出,當(dāng)不考慮展位高度時,即火源距離鋼構(gòu)件15m時,各構(gòu)件溫度均未超過 300℃;當(dāng)展位高度達(dá)到 6m,即火源距離鋼構(gòu)件 9m時,各構(gòu)件溫度均基本接近 300℃。

圖 1 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(φ165.7×7)

圖2 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(φ180×6)

圖3 鋼構(gòu)件溫度變化曲線(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、茶幾以及會議、展覽報名登記時臨時擺放的辦公桌椅。對于辦公桌椅根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知其火災(zāi)增長速率為0.044 6kW·s-2。對于沙發(fā),本文也選取 NIST曾做過的沙發(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)類型確定為 t2快速火,即火災(zāi)增長系數(shù) α=0.047kW·s-2。

對于登錄大廳,由于臨時擺放的可燃物數(shù)量有限,若自動噴水滅火系統(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,而不是時間的限制。根據(jù)類似場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個辦公組合單元或 2個多人沙發(fā)同時著火來計算,根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn),單個辦公組合單元和單個多人沙發(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),通過迭代的方式可計算得到典型鋼構(gòu)件溫度曲線如圖 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,屋頂鋼構(gòu)件溫度均未超過 300℃。

圖4 鋼構(gòu)件溫度變化曲線

2.2 FDS模擬計算

本文假設(shè)在最不利條件下,即自動噴水滅火系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)均失效時屋頂鋼構(gòu)件處的火羽流中心軸線的煙氣溫度隨時間變化曲線,見圖 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,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

通過計算發(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,在設(shè)定火災(zāi)場景條件下,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以內(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

圖6 登錄大廳鋼構(gòu)件溫度變化曲線