大空间钢结构建筑消防安全评估研究

●王 涛

(日喀则市消防支队,西藏日喀则 857000)

为研究大空间钢结构建筑发生火灾时的消防安全问题,本文以天津梅江会展中心为例进行模拟研究。该会展中心占地面积 85 400m2,总建筑面积98 000m2。建筑高度为 36.3m。一层为登录大厅、主会议厅、六个展览厅、厨房及设备用房,二层为会议室及设备用房。一层建筑面积 85 400m2,二层建筑面积 12 600m2。建筑结构型式为钢结构。

1 钢结构的耐火性能

建筑结构安全目标主要为钢结构在受火或高温作用时,不会产生过大形变或位移,不会失去承载能力而垮塌。建筑结构耐火设计的性能判定标准目前主要根据建筑构件的失效标准来确定,即无论是构件还是整体结构的耐火设计,均应满足下列要求之一：(1)在规定的结构耐火时间内,结构的承载力 Rd应不小于各种作用所产生的组合效应 Sm,即 Rd≥Sm;(2)在各种荷载效应组合下,结构的耐火时间 td应不小于规定的结构耐火极限 tm,即 td≥tm;(3)在火灾条件下,当结构内部温度均匀时,若取结构达到承载力极限状态时的内部温度为临界温度 Td,则应不小于在耐火极限时间内结构的最高温度 Tm,即 Td≥Tm。

本文采用第 3种判定方式进行钢结构耐火分析,具体方法是设定相应的火灾场景,利用国际标准《消防安全工程：用于烟气羽流分析的公式要求》(ISO16734)提供的公式以及 FDS模拟两种方法计算钢结构的最高温度。如果钢结构最高温度小于耐火极限,则可以不采取保护措施;如果钢结构最高温度大于耐火极限,则提出钢结构进行保护的具体方案。根据权威研究结果,导致钢结构失效的临界温度为 537℃。在这样的温度下,钢的屈服应力将会降低到其正常值的 60%。当钢材的温度小于 300℃时,其强度下降较小,而超过 300℃以后,强度下降较为迅速。为安全起见,本文将天津梅江会展中心钢屋架结构的失效温度确定为 300℃。

2 钢结构防火保护分析

2.1 经验公式计算法

2.1.1 计算公式

在火灾中,屋顶钢构件同时受到热烟气和火焰辐射加热,它的温度可以通过以下方法计算。钢结构吸收的净热流可按式(1)计算。钢构件吸收的净热量可按式(2)或式(3)计算。

综合以上各式,钢构件的温升可按式(4)计算。

式中,αst为钢吸收率;Tm为烟气层的平均温度(K)。Tm可按式(5)计算：

式中,Cp为环境空气比热,取 1.02k J·(kg·K)-1;T0为环境空气温度,取 296K;Tc为烟羽流中心温度(K),可按式(6)计算：

式中,g为重力加速度;ρ0为环境空气密度,取 1.2 kg·m-3;z0为虚点源的高度(m);Ts为钢构件的温度(K);hc为对流传热系数(W·m-2·K-1);z为钢构件高度(m);εr为钢构件和热烟之间的发射率;ρs为钢的密度,取 7 850kg·m-3;Vst为单位长度钢构件体积(m3·m-1);Cpst为钢的比热。Cpst可按式(7)计算：

2.1.2 计算结果

由于钢构件的温度与其比表面积及所接受的辐射热流有关,因此,在分析钢构件在火灾中的温度时,应选择处于最低位置且尺寸较小的钢构件。由于考虑展厅内展位有一定高度,因此,本文同时计算了有一定高度的展位发生火灾时钢构件的温度。

2.1.2.1 展览大厅

展览大厅内最低钢构件标高为 15.0m(不含钢索及撑杆)。由于展厅中可能存在大量的泡沫塑料或木制货架托盘,因此本文根据国际标准 ISO/TS16733,选择展览大厅内火灾的发展为快速火,根据美国标准技术研究院实验结果,确定了展览大厅内火灾增长系数为 0.047kW·s-2。对于展览厅,若自动喷水灭火系统失效,则需要专业消防人员进行扑救,考虑到我国消防队员在接警后 5min到达火场,并在火灾发生后 10min开展有效的灭火战斗并控制火势的发展。因此,在自动喷水灭火系统失效时,本文假定在此种情况下展览厅的火灾最大热释放速率为 0.04689×6002=16880kW,即 16.9MW;将各种参数代入式(4),通过迭代的方式可计算得到典型钢构件温度曲线如图 1～图 3所示。从图 1～图 3可以看出,当不考虑展位高度时,即火源距离钢构件15m时,各构件温度均未超过 300℃;当展位高度达到 6m,即火源距离钢构件 9m时,各构件温度均基本接近 300℃。

图 1 钢构件温度变化曲线(φ165.7×7)

图2 钢构件温度变化曲线(φ180×6)

图3 钢构件温度变化曲线(φ194×8)

2.1.2.2 登录大厅

登录大厅内最低钢构件标高为 17.0m。由于登录大厅内的可燃物主要是为人员休息而摆放的沙发、休闲座椅、茶几以及会议、展览报名登记时临时摆放的办公桌椅。对于办公桌椅根据美国标准技术研究院(NIST)实验结果可知其火灾增长速率为0.044 6kW·s-2。对于沙发,本文也选取 NIST曾做过的沙发火灾试验数据作为分析基础,确定沙发类火灾热释放速率略小于 t2快速火。因此,本文保守地将登录大厅内的火灾类型确定为 t2快速火,即火灾增长系数 α=0.047kW·s-2。

对于登录大厅,由于临时摆放的可燃物数量有限,若自动喷水灭火系统失效,其火灾最大热释放速率主要受可燃物数量的限制,而不是时间的限制。根据类似场所可燃物的摆放情况,其火灾最大热释放速率可保守的按 2个办公组合单元或 2个多人沙发同时着火来计算,根据相关实验,单个办公组合单元和单个多人沙发的火灾最大热释放速率约3.5MW,因此登录大厅火灾的最大热释放速率为7.0MW。将各种参数代入式(4),通过迭代的方式可计算得到典型钢构件温度曲线如图 4所示。从图5可以看出,当登录大厅发生火灾,火源距离钢构件17m时,屋顶钢构件温度均未超过 300℃。

图4 钢构件温度变化曲线

2.2 FDS模拟计算

本文假设在最不利条件下,即自动喷水灭火系统和排烟系统均失效时屋顶钢构件处的火羽流中心轴线的烟气温度随时间变化曲线,见图 5、图 6。从图中可以看出,当火灾发生在火源位置 A(展厅)和B(登录大厅)时,距离火源最近钢构件的最高温度分别为 162℃和 131℃。

3 结论

现将采用经验公式计算的结果和采用 FDS模拟的结果汇总于表 1。在设定火灾场景下,经验公式和FDS模拟所得展览大厅和登录大厅的屋顶钢构件最高温度分别为 162℃和 131℃,均小于本文设定的钢结构失效温度 300℃。因此,屋顶钢构件可不进行防火保护。

表1 火灾中最不利条件下屋顶钢构件的温度

通过计算发现,如果展厅内展位高度较高,可燃物距离钢构件 9m时,在设定火灾场景条件下,钢构件温度基本达到 300℃。因此,展览大厅可燃展位高度应分别控制在 6m和 3m以内,否则屋顶的钢构件需进行防火保护。

图5 展览大厅钢构件温度变化曲线

图6 登录大厅钢构件温度变化曲线