辽宁省锦州市公安消防支队 辽宁 121013
摘要：钢结构在我国建筑领域获得了日益广泛的应用，其有效推动了建筑行业的可持续发展，有效改善了人们的生活水平。然后，钢材是不燃烧材料，但是当其温度在600℃以上时就会影响到钢结构的稳定性，从而会导致建筑物发生坍塌。这不仅会威胁人们的财产安全，另外还会威胁到人们的人身安全。本文根据笔者工作实践，对现代钢结构建筑防火的设计进行了分析和探讨。
关键词：钢结构；建筑；防火；设计
1 引言
近年来，钢结构在一些大型体育场馆、商业用房、工业厂房、住宅用房应用越加广泛，但是由于钢结构内部晶体组织对温度十分敏感，因此高温极易导致钢结构性能发生变化，强度降低，由此必须要重视耐火设计问题。
2 建筑钢结构火灾危害性
根据有关实验表明：在常温下钢结构的性能非常好，甚至在200℃以下其力学性能变化不大，但当温度达430~540℃时，钢结构强度会急剧下降；当温度达到450~650℃时，钢材强度几乎为零而失去承载能力。根据标准时间火灾升温曲线表明，火灾发生后，一般在15~30min即可达到650~700℃。
由此可见，未进行耐火设计的钢构件，一旦发生火灾，很可能在30min内就会发生垮塌。近年来我国发生多次类似火灾，给国家和人民财产造成重大损失，如：2012年2月，一家大型家具厂因电路发生火灾，建筑面积约1.5万m两层钢结构厂房在半小时内垮塌，直接经济损失3000万元以上，所幸火灾发生在凌晨3点，没有人员伤亡。
3 建筑钢结构耐火设计方法
3.1 基于计算的耐火设计方法
此设计方法是依据高温下构件承载力极限状态判断构件耐火极限，同时考虑温度内力影响，具体步骤如下（参考《建筑钢结构防火技术规程》（DG/TJ08-008-2017））：
（1）确定防火措施、防火被覆厚度。（2）基于钢构件在第一步中所设定的条件，开展内部温度计算。（3）确定钢材料性能参数，计算在温度和外载荷同时作用下构件中的内力，得出高温下钢构件材料的极限强度、屈服极限、极限应变以及弹性模量等力学性能指标随温度的变化规律曲线。（4）对构件的抗火承载极限状态进行验算。（5）重复以上步骤，确保钢结构的抗火承载能力满足要求。
3.2 基于性能的耐火设计方法
现阶段，基于性能的耐火设计方法主要用于大空间建筑项目，根据相关实践经验总结，此方法可分为限制构件温度评价法、结构整体安全评价法。
（1）限制构件温度评价法
此种方法主要适用于以下情况：单根构件、与火源很远的结构（仅受火灾对流传热影响），具体步骤如下：（1）确定构件限制温度：参考指标包括：a.钢结构温度≤325℃，来源于2001年版《耐火性能验证法的解说以及计算实例及其解说》；b.钢结构温度≤200℃，此参数更为保守，此温度下防火涂层也未膨胀。（2）设计火灾场景：在综合分析建筑空间大小、平面布局、使用功能、消防设施以及火灾荷载种类的基础上，设计火灾规模、持续时间、发生位置。（3）计算钢结构温度：钢构件不受火焰辐射直接影响，可只考虑高温烟气，否则需考虑火焰辐射问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（4）确定防火保护方案：按钢结构温度计算结果，确定钢结构是否需开展防火保护，或是否纳入防火保护范围。
（2）结构整体安全评价法
目前，基于构件的建筑钢结构耐火设计均较为成熟，但是基于整体的设计还处于发展阶段，随着计算机技术发展，火灾模拟技术取得了很大进步，实现整体钢结构力学性能变化的良好分析，为钢结构整体耐火设计提供重要支撑。
结构整体安全评价法具体步骤如下：（1）在全面分析建筑功能、消防措施的基础上，设计火灾场景；（2）确定钢结构临界温度；（3）通过流体动力学软件计算火灾后烟气、温度分布情况，计算火灾所致的钢结构的温度；（4）构建钢结构空间的三维几何模型，计算热效应引起的钢材强度、弹性模量降低值；采用有限元或结构力学分析软件计算，荷载可采用火灾状况中的“火灾荷载”；（5）以结构安全分析计算结果为依据，确定钢结构防火方案。
4 实例分析建筑钢结构耐火设计
4.1 工程概况
某站房工程是大跨空间结构，主站房空间高大、人流密集，存在各类商业设施、旅客行李，火灾荷载密度大，综合考虑决定采取基于性能的耐火设计方法对站房屋面体系进行分析。主站房建筑屋面最高、最低点分别为42.795m、32.523m，楼层面最高24.81m，站房屋面面积为86590m（416.050m×208.125m），屋盖采用的是“上平下曲”大跨度钢桁架体系，最大柱距86.06m×54m。
4.2 火灾场景设计
本工程项目根据危险性分析，设计最不利火灾场景，具体如下：（1）火源点设于候车大厅内15.0m商业夹层上，模拟商业区域火灾，此位置在屋盖体系下方，靠近钢柱，火灾对屋面结构影响最大。（2）根据可燃物数量，参考相关调查数据，确定模拟火灾荷载8MW。（3）火灾增长曲线设定，采用快速t2火。（4）不考虑自然排烟，假定大空间喷淋失效。
4.3 环境温度场计算
本项目采用场模型（FDS）、《建筑钢结构防火技术规范》（CECS200：2006）中大空间建筑的空气升温公式、NFPA92B提供的火羽流模型，开展环境温度场计算。
通过模拟可得结构体系的周边环境温度、热流、辐射数据，传输至ANSYS软件作为结构分析荷载、边界条件，根据结果显示，此大空间结构中温度场的非均匀性特征明显，最高温度峰值（128℃）在420s左右出现。
按规范公式计算结构附近环境温度升温曲线，由于屋面钢结构体系最低点与商业夹层平台相距约13~14m，因此选取火源上方13m、14m处计算钢结构周边环境温度曲线，根据结果显示，屋面钢结构体系附近最高温升达129℃。
根据NFPA92B提供的火灾模型对火灾场景温度场展开稳态分析，可得不同高度轴上气流温度，根据结果显示钢结构体系环境温度偏高。
综上三种分析方法，决定采用规范公式计算钢结构耐火临界温度，通过FDS场模拟分析空间温度场不均匀特征对结构整体内力分布影响情况。
4.4 防火保护区域与范围确定
经计算分析发现，火源上方结构环境温度达275℃时，屋面结构体系出现失稳破坏；屋面支撑柱不考虑屋面水平推力的临界温度为420℃，考虑此推力作用的临界温度为270℃。基于安全裕度，确定结构体系临界温度220℃，此值低于日本耐火安全检证法提供的指标325℃，故最终决定采用验算所得临界温度指标，即220℃。
根据FDS模拟与规范公式计算结果显示，环境最大温升未超过临界温度，NFPA92B火灾烟气模型计算显示，在考虑1.5倍安全系数的情况下，火源所在地面上方13m处的温度未超过临界温度，由此屋顶结构体系无需防火保护；与火源所在商业夹层地面相距10m以下的区域，超过临界温度。
通过计算，火焰极限高度取值5.2m，考虑1.5倍安全系数，最终取值7.9m。偏安全考虑保护范围，与商业夹层地面相距不超过10m（标高25m）的钢结构需采取防火保护。水平向按辐射热强度分析，与火源面相距4.8m左右的直线距离处，钢构件受到热辐射强度超过10k W/m，考虑1.5倍安全系数，与商业区域水平距离相距超过7.2m的区域钢结构无需设防火保护，高架层楼板下结构支撑钢梁建议按耐火极限2.0予以厚型防火涂料保护。
4.5 非均匀温度场下结构体系安全性评估
在模拟火灾场景下，火灾对屋面体系影响较小，桁架位移未超规范限值；绝大部分杆件内应力变化不大，结构处在安全范围内；局部火灾下，火源附近支撑柱柱顶侧向位移较常规荷载下增加近一倍，柱内应力大幅提高，建议对支撑钢柱除进行耐火极限2.0h的防火保护同时，在设计时荷载组合考虑火灾温度效应组合工况。
5 结语
综上，耐火设计是保证钢结构建筑安全、可靠实用的关键，本文重点围绕基于性能的结构耐火设计方法展开分析，通过火灾环境模拟对整体结构进行计算分析，有利于设计者了解实际结构在真实火灾下的性能，实现对结构细部调整，保证整体结构安全、经济。
参考文献
[1]赵华亮.上海虹桥综合交通枢纽建筑防火设计[J].消防科学与技术，2010，29（8）：658~661.
论文作者:王卓
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第2期
论文发表时间:2018/7/4
标签：钢结构论文; 火灾论文; 温度论文; 耐火论文; 结构论文; 建筑论文; 火源论文; 《建筑学研究前沿》2018年第2期论文;