大空間鋼結構建筑消防安全評估研究

●王 濤

(日喀則市消防支隊,西藏日喀則 857000)

為研究大空間鋼結構建筑發生火災時的消防安全問題,本文以天津梅江會展中心為例進行模擬研究。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、廚房及設備用房,二層為會議室及設備用房。一層建筑面積 85 400m2,二層建筑面積 12 600m2。建筑結構型式為鋼結構。

1 鋼結構的耐火性能

建筑結構安全目標主要為鋼結構在受火或高溫作用時,不會產生過大形變或位移,不會失去承載能力而垮塌。建筑結構耐火設計的性能判定標準目前主要根據建筑構件的失效標準來確定,即無論是構件還是整體結構的耐火設計,均應滿足下列要求之一：(1)在規定的結構耐火時間內,結構的承載力 Rd應不小于各種作用所產生的組合效應 Sm,即 Rd≥Sm;(2)在各種荷載效應組合下,結構的耐火時間 td應不小于規定的結構耐火極限 tm,即 td≥tm;(3)在火災條件下,當結構內部溫度均勻時,若取結構達到承載力極限狀態時的內部溫度為臨界溫度 Td,則應不小于在耐火極限時間內結構的最高溫度 Tm,即 Td≥Tm。

本文采用第 3種判定方式進行鋼結構耐火分析,具體方法是設定相應的火災場景,利用國際標準《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構的最高溫度。如果鋼結構最高溫度小于耐火極限,則可以不采取保護措施;如果鋼結構最高溫度大于耐火極限,則提出鋼結構進行保護的具體方案。根據權威研究結果,導致鋼結構失效的臨界溫度為 537℃。在這樣的溫度下,鋼的屈服應力將會降低到其正常值的 60%。當鋼材的溫度小于 300℃時,其強度下降較小,而超過 300℃以后,強度下降較為迅速。為安全起見,本文將天津梅江會展中心鋼屋架結構的失效溫度確定為 300℃。

2 鋼結構防火保護分析

2.1 經驗公式計算法

2.1.1 計算公式

在火災中,屋頂鋼構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。鋼結構吸收的凈熱流可按式(1)計算。鋼構件吸收的凈熱量可按式(2)或式(3)計算。

綜合以上各式,鋼構件的溫升可按式(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為環境空氣比熱,取 1.02k J·(kg·K)-1;T0為環境空氣溫度,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為環境空氣密度,取 1.2 kg·m-3;z0為虛點源的高度(m);Ts為鋼構件的溫度(K);hc為對流傳熱系數(W·m-2·K-1);z為鋼構件高度(m);εr為鋼構件和熱煙之間的發射率;ρs為鋼的密度,取 7 850kg·m-3;Vst為單位長度鋼構件體積(m3·m-1);Cpst為鋼的比熱。Cpst可按式(7)計算：

2.1.2 計算結果

由于鋼構件的溫度與其比表面積及所接受的輻射熱流有關,因此,在分析鋼構件在火災中的溫度時,應選擇處于最低位置且尺寸較小的鋼構件。由于考慮展廳內展位有一定高度,因此,本文同時計算了有一定高度的展位發生火災時鋼構件的溫度。

2.1.2.1 展覽大廳

展覽大廳內最低鋼構件標高為 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,因此本文根據國際標準 ISO/TS16733,選擇展覽大廳內火災的發展為快速火,根據美國標準技術研究院實驗結果,確定了展覽大廳內火災增長系數為 0.047kW·s-2。對于展覽廳,若自動噴水滅火系統失效,則需要專業消防人員進行撲救,考慮到我國消防隊員在接警后 5min到達火場,并在火災發生后 10min開展有效的滅火戰斗并控制火勢的發展。因此,在自動噴水滅火系統失效時,本文假定在此種情況下展覽廳的火災最大熱釋放速率為 0.04689×6002=16880kW,即 16.9MW;將各種參數代入式(4),通過迭代的方式可計算得到典型鋼構件溫度曲線如圖 1～圖 3所示。從圖 1～圖 3可以看出,當不考慮展位高度時,即火源距離鋼構件15m時,各構件溫度均未超過 300℃;當展位高度達到 6m,即火源距離鋼構件 9m時,各構件溫度均基本接近 300℃。

圖 1 鋼構件溫度變化曲線(φ165.7×7)

圖2 鋼構件溫度變化曲線(φ180×6)

圖3 鋼構件溫度變化曲線(φ194×8)

2.1.2.2 登錄大廳

登錄大廳內最低鋼構件標高為 17.0m。由于登錄大廳內的可燃物主要是為人員休息而擺放的沙發、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。對于辦公桌椅根據美國標準技術研究院(NIST)實驗結果可知其火災增長速率為0.044 6kW·s-2。對于沙發,本文也選取 NIST曾做過的沙發火災試驗數據作為分析基礎,確定沙發類火災熱釋放速率略小于 t2快速火。因此,本文保守地將登錄大廳內的火災類型確定為 t2快速火,即火災增長系數 α=0.047kW·s-2。

對于登錄大廳,由于臨時擺放的可燃物數量有限,若自動噴水滅火系統失效,其火災最大熱釋放速率主要受可燃物數量的限制,而不是時間的限制。根據類似場所可燃物的擺放情況,其火災最大熱釋放速率可保守的按 2個辦公組合單元或 2個多人沙發同時著火來計算,根據相關實驗,單個辦公組合單元和單個多人沙發的火災最大熱釋放速率約3.5MW,因此登錄大廳火災的最大熱釋放速率為7.0MW。將各種參數代入式(4),通過迭代的方式可計算得到典型鋼構件溫度曲線如圖 4所示。從圖5可以看出,當登錄大廳發生火災,火源距離鋼構件17m時,屋頂鋼構件溫度均未超過 300℃。

圖4 鋼構件溫度變化曲線

2.2 FDS模擬計算

本文假設在最不利條件下,即自動噴水滅火系統和排煙系統均失效時屋頂鋼構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,當火災發生在火源位置 A(展廳)和B(登錄大廳)時,距離火源最近鋼構件的最高溫度分別為 162℃和 131℃。

3 結論

現將采用經驗公式計算的結果和采用 FDS模擬的結果匯總于表 1。在設定火災場景下,經驗公式和FDS模擬所得展覽大廳和登錄大廳的屋頂鋼構件最高溫度分別為 162℃和 131℃,均小于本文設定的鋼結構失效溫度 300℃。因此,屋頂鋼構件可不進行防火保護。

表1 火災中最不利條件下屋頂鋼構件的溫度

通過計算發現,如果展廳內展位高度較高,可燃物距離鋼構件 9m時,在設定火災場景條件下,鋼構件溫度基本達到 300℃。因此,展覽大廳可燃展位高度應分別控制在 6m和 3m以內,否則屋頂的鋼構件需進行防火保護。

圖5 展覽大廳鋼構件溫度變化曲線

圖6 登錄大廳鋼構件溫度變化曲線