编委特刊 | 李国强教授团队：我国建筑钢结构抗火研究与防火技术实践

研究背景

 Research background 

1  建筑钢结构火灾安全关键技术

火灾科学已对建筑室内火灾特性进行了大量的理论与试验研究,在主动防火措施,涉及烟气的流动、火灾预警、自动灭火及人员逃生等方面应用广泛。而结构抗火在自身的抗火能力外,多采用被动防火措施,如敷设防火涂料。

1.1　建筑火灾模拟技术

结构在规定的耐火极限下经历的火灾温度历程是火灾向结构输入热能的表征。建筑小室火灾一般采用标准升温曲线表征; 对于地面面积不小于 500 m²,顶棚高度不低于 6 m 的建筑空间的火灾场景被定义为大空间建筑火灾。

大空间建筑火灾场景的瞬态非均匀温度分布可采用基于流体动力学理论(CFD)开发的数值模拟软件预测,这种模拟技术可以较准确地考虑火焰辐射及热烟气对火灾环境温度的影响,但鉴于对工程技术人员的热物理基础知识以及对模拟软件操作技能的要求较高,所以这种数值模拟软件的界面不适用于工程应用,仅用于专业研究范畴。

大空间建筑火灾与小室火灾的区别在于,其不会发生如小室火灾那样的轰然现象,因此,受火羽流和火焰辐射范围影响的区域温度高于空间其他区域,因此,为了服务于大空间建筑钢结构抗火性能的研究需求,结构工程领域相继开展了大空间建筑火灾温度历程的研究。CECS 200∶2006《建筑钢结构防火技术规范》中建议的大空间火灾空气升温计算方法,偏于安全地表征了一系列大空间火灾空气瞬态温度分布。考虑火焰辐射传热特性对大空间火灾空气温度分布的非均匀程度的影响,基于半球空间辐射模型,进一步明确了大空间火灾中火焰辐射区的影响范围以及包括热烟气和火焰辐射向构件表面流入的总净热量,将空气温度分布沿空间水平面和垂直面划分为均匀和非均匀区,偏于安全地明确了满足工程应用要求的大空间火灾温度瞬态分布。

当火源位置、火源面积、火源单位热释放率、建筑空间几何尺度确定时,单层规则六面体建筑空间火灾场景的瞬态非均匀温度分布可以根据经验公式预测,经验公式可较全面地预测火灾环境中受热烟气及受火焰辐射影响的瞬态非均匀温度分布。我国现阶段研发的建筑火灾场景预测技术,基本可以满足结构抗火分析与防火设计的要求。

1.2　建筑钢结构抗火安全评估技术

火灾对结构作用的直接表征是结构构件内部的升温过程,计算这个升温过程的方法有解析法和数值方法,在标准火灾升温边界条件下,对于截面形状系数较大的构件,可假定构件沿纵向和横截面均匀升温,基于集总热容法得到构件升温的解析解;对于截面形状系数较小的构件,一般构件横截面上呈非均匀升温趋势,可采用数值分析方法得到构件横截面的温度场,也可以采用数值模拟和参数分析方法对构件横截面升温计算进行简化。在大空间建筑火灾升温条件下,构件沿纵向非均匀升温,一般采用数值分析方法得到构件各截面的温度。总之,火灾下结构构件的升温计算方法比较成熟,满足工程应用要求。

自 20 世纪 90 年代以来,我国在钢材高温材性和火灾下结构反应方面取得了丰富的研究成果。基于大量试验研究得出普通结构钢、耐火钢的高温力学特性参数设计指标,可用于高温下结构反应分析。过去的 20 多年中,从基本构件开始对钢结构抗火性能进行了系统研究,主要针对梁、柱、楼板构件的抗火性能开展了大量理论与试验研究,得出了基于计算考虑结构构件受荷水平的构件抗火设计方法。在近 10 年中,对火灾下约束构件承载机制以及构件大变形下整体结构承载机制所开展的理论与试验研究,进一步真实反映了结构构件受火力学行为,建立了考虑整体结构约束效应的梁、柱、楼板抗火承载力验算方法。

在特殊构件升温预测技术上,建立了内部具有空腔几何特征的钢索截面升温模式,基于等效热阻模型,提出了钢索升温理论计算式;同时,通过对锚具瞬态温度分布进行了理论分析及数值传热模拟,探明了其瞬态温度分布规律,并提出了热铸锚升温理论计算式。在高温材性方面,得出了区别于普通结构钢的高强钢索高温材性衰减规律,并在国际上首次提出了高强钢索高温下全过程应力应变模型;基于试验对锚具的锌铜合金填料和环氧树脂钢丸填料提出了比热容及导热系数关于温度的非单调函数表达式。基于对特殊构件的升温特征及特殊材料的高温性能两个层次的研究,记忆布厘清了大跨度钢结构局部受火下的力学行为,得出了区别于框架结构局部受火的大跨度钢结构反应分析方法,包括门式刚架结构抗火性能、空间网格结构抗火性能、预应力钢结构抗火性能等分析方法。

上述建筑钢结构抗火分析技术,为我国新建的大跨度建筑钢结构的火灾安全评估提供了科学的方法。在长期研究工作中积累的、用于模拟构件及整体结构的受火全过程力学反应分析数值模型,以及开发的数值模拟软件也已比较成熟,可以满足结构防火安全工程应用的需要。

节点连接是钢结构的一个重要研究对象,焊接和螺栓连接是钢结构主要的连接方式,对高强螺栓连接在火灾下的性能进行了大量理论与试验研究;对焊接连接的研究表明,高温下焊缝力学性能与钢材的力学性能基本没有区别。

1.3　建筑钢结构防火保护技术

对结构实施防火保护的直接作用是有限阻断火灾向结构构件传递热量的途径,所以,采用科学高效的测试方法确定防火材料隔热性能参数是防火保护技术重要的环节,也是准确计算构件升温的必要条件。目前,在工程中实施的钢结构防火保护措施可以按防火材料主要分为:浇筑混凝土、砌筑耐火砖、包裹耐火轻质板材、涂抹防火涂料。同时研究制定了防火板材及防火涂料的构造做法和施工要求,基本可以对梁、柱、楼板基本构件实施有效的防火保护。

随着钢结构在国内公共建筑中的广泛应用,对钢结构防火涂料的表观及隔热性能等指标提出了更多的要求,例如膨胀型防火涂料开始大规模在中国应用。按火灾类型划分,钢结构防火涂料可分为纤维类火灾与烃类火灾防火涂料,特别是膨胀型防火涂料隔热性能, 受到火灾升温条件的显著影响。GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》中明确了,由于膨胀型防火涂料的涂层厚度、膨胀层厚度和热传导系数之间为非线性关系,因此,膨胀型防火涂料应采用标准耐火试验测试,得到对应涂层厚度的等效热阻表征其隔热性能。研究表明,ISO 834 标准火灾下膨胀型防火涂料的等效热阻区别于大空间建筑火灾下的等效热阻,CECS 200∶2006(修订稿)建议了三阶段等效热阻模型,分别计算熔化阶段(100 ~ 300 ℃)、膨胀阶段(300 ~ 400 ℃)和完全膨胀阶段(400 ~ 600 ℃)膨胀型防火涂料的等效热阻,同时指出,防火涂料面层对膨胀程度的约束以及湿热环境下老化对涂料隔热性能的影响均不容忽视。上述研究成果,提升了防火材料隔热性能参数的准确性。

2  建筑钢结构防火标准体系的逐步完善

2.1　基于建筑构件耐火试验的钢结构防火标准

在相当长一段时期,我国建筑工程设计中主要关注的是主动防火措施。自 TJ 16—74《建筑设计防火规范》开始,始终贯穿着“预防为主,防消结合”的原则,主要内容涵盖建筑物的耐火等级,厂房、仓库、民用建筑的防火分区,建筑构造,消防给水和固定灭火装置,采暖,通风和空气调节,电气等,并从阻止火灾蔓延的角度规定了建筑物构件的耐火极限,其中,较多的结构承重构件被作为防火分隔,如:楼板、承重墙。耐火极限在相当长一段时期内被诠释为按 GB/T 9978—88《建筑构件耐火试验方法》(历经两次修改为 GB/T 9978—99 和 GB/T 9978—2008)规定的统一方法,即:构件在标准火试验中,从受火到失去稳定性的时间。这种建筑构件耐火试验的方法对于确定非承重构件的耐火极限是可靠的,但对于承重结构构件,首先,没有考虑构件在实际结构中的荷载效应;其次,难以在试验中模拟构件在结构中的端部约束;再则,结构中构件受火一般会产生温度应力,所以,这种建筑构件耐火试验的方法对于确定承重构件的耐火极限存在不足。

2.2　基于计算的钢结构防火标准

如何按规定的结构构件耐火极限设计防火保护。我国经过早期近 10 年在钢结构抗火领域的研究成果,参考了国际先进的钢结构抗火技术标准和研究成果,于 2000 年在上海颁布了我国第一部工程建设规范 DG/TJ-008—2000《建筑钢结构防火技术规程》。该规程弥补了我国传统钢结构抗火设计方法的不足,在国内首次将基于计算得到的构件抗火承载力极限状态作为耐火极限判断标准的钢结构抗火设计方法规范化,并制定了防火保护的构造与施工要求。在对构件的抗火性能分析中,沿袭了常温下钢构件受力、变形性能分析方法,引入高温下结构材料特性,所以,该规程中钢梁和钢柱的设计承载力验算公式与常温下钢构件的设计承载力验算公式形式相似,便于结构工程师理解与工程应用。

我国于 2006 年颁布了建设工程行业规范 CECS 200∶2006,为国内结构工程师提供了建筑钢结构抗火计算及基于计算进行防火保护的技术规范。沿袭 DG/TJ-008—2000 技术框架,该规范首次明确了大空间建筑火灾与小室火灾的区别,并给出了大空间建筑火灾烟气瞬态分布经验公式,为大空间建筑火灾场景中的结构反应分析提供了温度边界条件。该规范中还首次提出,对于多功能、大跨度、大空间建筑,可采用有科学依据的性能化设计方法,模拟实际火灾升温分析结构的抗火性能,将结构性能化防火设计思想规范化。

构件通过节点连接形成整体共同作用的承载机制,结构整体力学反应通过各个构件的荷载效应表征。火灾下,整体结构的单一构件或局部的破坏,并不一定意味着整体结构的倒塌;这是因为结构局部少数构件失效退出工作,会导致内力在整体结构中重新分布,也就是冗余度使整体结构仍具有一定继续承载的能力,从对单独构件的抗火性能研究发展到基于结构整体力学反应的构件抗火性能研究,是建筑钢结构抗火研究的较大进步。国家标准 GB 51249—2017 首次明确了钢结构防火设计分为基于整体结构耐火验算的防火设计方法和基于构件耐火验算的防火设计方法。基于我国 GB 50016—2014《建筑设计防火规范》中对结构构件耐火极限的要求,国家标准 GB 51249—2017 还首次提出了用承载力法和临界温度法对结构构件或整体结构进行抗火承载力验算及防火设计。临界温度法与承载力法均需要计算结构构件的最不利荷载(作用)效应组合设计值。临界温度法是基于构件在火灾下的承载力,判断其失效时的临界温度 T_d, 验算构件在规定的耐火极限 t_m 内所达到的最高温度 T_m 不应高于其临界温度 T_d;承载力法是根据构件的承载力,判断在规定的耐火极限 t_m 内,构件在火灾下的承载力设计值不应小于其最不利的荷载(作用)组合效应设计值。采用临界温度法或承载力法对钢结构在火灾下的承载能力进行验算后,提出钢结构防火保护措施。钢结构防火保护措施的构造与施工要求在国家标准 GB 51249—2017 中得到进一步细化与完善。

2.3　结构性能化防火技术标准

如果建筑钢结构防火设计是以不致因结构破坏影响建筑内人员逃生及消防人员灭火,不致因结构破坏使建筑火灾损失更大为总体目标,那么,同类结构构件按相同的耐火极限规定保障其火灾安全的解决方案,并未实现建筑钢结构防火设计的功能目标。因此,基于结构性能化防火技术标准应根据功能目标提出性能要求,再根据性能要求确定耐火时间。要建立这种结构性能化防火设计技术标准,还需要更进一步的理论研究基础,这些理论研究将涉及各种功能建筑的人员逃生模型;消防接警、出动、到达、灭火模型;考虑建筑布置、火灾荷载、喷淋装置等影响的各种功能建筑失火概率模型及实际火灾升降温模型。这种基于结构性能化防火技术标准将具有最优综合经济技术指标,也更具科学性。

3  建筑钢结构防火设计工程实践

我国基于计算的建筑钢结构防火设计工程实践起步于 21 世纪初,但由于结构工程本科教学中对火灾及结构抗火理论的通识性教育滞后,因此掌握基于计算的建筑钢结构防火设计方法的人员主要集中在高等院校和消防科研院所。目前,建筑钢结构特殊防火设计的需求,主要是由于建筑使用功能的要求较难按照现行建筑消防规范的规定设置防火分区和疏散通道;建筑师从表现美观的角度,对外露钢构件表面质感提出个性化要求;业主从建筑全寿命周期运维技术难度及成本角度,也对现阶段防火保护提出了耐久性的考量。这些特殊消防设计理念均要求从性能化消防设计技术路线保障建筑的消防安全,其中,钢结构特殊防火设计是性能化消防设计中的一个重要环节。

3.1　上海南站

上海火车南站(图 1)是上海市重要的对外交通枢纽和市内换乘枢纽。项目建筑面积 56718 m²,其中地上 48767 m²,地下 7951 m²;项目主站屋盖形状似一个轨道上的飞盘,圆顶直径 270 m,最高点为 42.7 m。项目屋盖结构由一系列向外辐射的变截面主梁组成,主梁在屋顶中心由一顶压环连接,屋盖通过弹簧支座支撑在钢管柱上。基于 CECS 200∶2006 开展了钢屋盖结构的抗火安全评估与防火保护设计。

图1　上海火车南站

根据项目的建筑平面功能设计,对可能发生火灾的位置、燃料密度及火灾的危险性进行定性分析,确定了可能的最不利火灾场景,并基于火灾动力学模拟获得了钢屋盖结构附近的空气温度场分布。进而通过结构热力耦合分析,依据 CECS 200∶2006 评估不利火灾场景下钢屋盖结构的抗火安全(图 2)。评估结果表明,由于屋盖梁的膨胀,会对邻近柱产生向外的推力,从而增大柱的弯矩;而火灾影响区域柱的膨胀由于受到约束,会增大柱的轴力。然而在不利火灾场景下,无防火保护的钢屋盖结构均能满足强度和稳定性要求,钢构件最大应力为 62 MPa, 小于火灾下钢构件最高温度 440 ℃ 时对应的强度,因此钢结构无需进行防火保护。

图2　钢屋盖结构抗火安全评估

CECS 200∶2006 标准采用基于高温承载极限状态的现代钢结构抗火设计方法,综合考虑了热力耦合作用对钢构件耐火极限的影响,可保证钢结构抗火的安全性与防火保护的合理性。CECS 200∶2006 有力支撑了上海火车南站的抗火安全评估与防火保护设计,项目为我国首个无防火保护的重大钢结构工程,是推动我国钢结构性能化抗火设计的重要标志。

3.2　深圳歌剧院

深圳歌剧院(图 3)坐落于深圳市南山区蛇口东角头片区,核心展演功能区包括歌剧厅、音乐厅、小歌剧厅、多功能剧场,同时还配套了服务功能区,项目总建筑面积约 21 万m²。深圳歌剧院作为重大文体设施项目,以建设世界级高标准艺术殿堂为目标,同时依靠得天独厚的地理位置,将成为粤港澳大湾区国际文化交流的殿堂及世界级文化旅游标杆,依托国际竞标方案“海之光”领航实施。

图3　深圳歌剧院鸟瞰

深圳歌剧院项目的核心建筑特色是大屋面,为歌剧院提供了一个独特的、可识别的、标志性的形象。大屋面结构体系为超大跨度张弦梁钢结构体系,其长约 270 m,宽约 290 m,最高高度超过 70 m。大屋面结构由3 种不同类型的钢构件组成,即钢桁架(A 类构件)、张弦梁结构(B 类构件)和侧向水平支撑(C 类构件)。A 类构件搭建在混凝土结构上,为上方的 B 类构件提供支承;B 类构件包括上弦刚性构件、撑杆、稳定索和下弦钢索;C 类构件用于将多榀 B 类构件连为整体(图 4)。为了确保大屋面钢结构的抗火安全, 基于 CECS 200∶ 2006 及 GB 51249—2017 技术框架,开展了大屋面钢结构抗火安全评估与防火保护设计。

图4　大屋面张弦梁钢结构体系　m

首先,在项目 5 个建筑区域设计了 25 种不利火灾场景,基于火灾动力学模拟获得了各不利火灾场景下的空气温度场;随后,开展结构热力耦合分析,验算各不利火灾场景下大屋面钢结构的抗火承载力。分析结果表明,在升温历程中,稳定索和下弦钢索相继发生松弛,继发上弦刚性构件失稳,从而发生张弦梁结构失效。最后,确定了大屋面钢结构的防火保护优化措施。防火保护的具体优化措施包括:1) 对于包括预应力拉索、上弦刚性构件、垂直撑杆在内的张弦梁钢结构,无需敷设防火保护;2) 对于温度较高的部分 A 类构件(钢桁架)和 C 类构件(侧向水平支撑),应敷设防火保护,其余 A 类构件、C 类构件无需防火保护。

钢结构抗火成套关键技术及现行标准体系,有力支撑了重大工程深圳歌剧院大屋面钢结构的抗火安全评估与防火保护设计,实现了安全性、经济性、可实施性和建筑外观效果兼具的防火保护方案,显著降低了项目建设成本和施工工期,大幅提升了项目作为粤港澳大湾区国际文化交流新地标的建筑外观效果,经济和社会效益显著。

3.3　上海北外滩中心大厦(480 m)

上海北外滩中心大厦(图 5)位于黄浦江金三角的北外滩核心区域,与陆家嘴金融城建筑群和外滩历史风貌建筑群交相辉映。项目为超高层商业办公塔楼,建筑高度 480 m,塔楼地上 99 层,总建筑面积约 45 万m²,将复合商业、办公、酒店、观光等多种业态。作为未来上海第三高、浦西第一高的北外滩中心大厦,是上海建设具有全球影响力和标杆引领性世界会客厅的关键支撑。

图5　上海北外滩中心大厦塔冠空间钢结构　m

上海北外滩中心大厦的塔冠区域是项目最为重要的建筑空间,位于超高层建筑顶部 85 ~ 98 层,由 3 个高度不一的风帆构成。从 85 层开始,3 个弧形钢管组成的巨型拱结构支撑起塔冠高大空间,3 片风帆的玻璃幕墙由结构柱支撑,高度较低的两个风帆自 85 层向上未布置建筑功能层,高度最高的风帆自 86 层夹层往上设置了机电、餐饮、观光厅等功能层。塔冠空间的钢结构体系主要包括支撑玻璃幕墙的结构柱和作为部分结构柱支撑的巨型拱结构。基于 GB 51249—2017 和 CECS 200∶2006 开展了塔冠空间钢结构的抗火安全评估与防火保护设计,以保证项目的抗火安全(图6、7)。

图6　塔冠钢结构抗火安全评估

图7　塔冠巨型钢拱防火保护优化　m

对于跨度达 58 m,最大高度为 15 m 的塔冠巨型钢拱,根据设计图纸确定了对巨型钢拱有不利影响的火灾场景,采用火灾动力学模拟获得了不利火灾场景下巨型钢拱附近的空气温度分布;随后基于结构热力耦合分析,揭示了钢拱在高温下的结构响应,并对钢拱结构进行抗火承载力验算。分析结果表明,钢拱在受火 44 min 后的最高温度达到 640 ℃。最后,基于分析结果确定了塔冠钢结构的防火保护优化措施:仅在距 85 层建筑楼面高度 7 m 以内的钢拱敷设防火保护,拱体其余部分无需防火保护。需要防火保护的钢拱面积约为 430 m²,远小于钢拱总表面面积。

上海北外滩中心大厦塔冠钢结构的抗火安全评估与防火保护设计,在保证结构抗火安全的基础上,通过优化防火涂料的使用大幅降低了项目建设成本和施工工期,有效提升了项目作为上海天际线新地标的建筑外观效果,具有显著的经济和社会效益。

相对于国际上从 20 世纪 50 年代开始重视结构抗火研究,我国自 20 世纪 90 年代初对建筑钢结构抗火开展系统研究起步较晚,但是,经过 30 多年的研究积累,现已发展成为国际上建筑钢结构抗火研究领域中占有重要地位的国家。

纵观我国 30 多年来在建筑钢结构防火技术领域的发展历程,经历了从研究普通钢材的结构抗火性能,到研究耐火钢材、铝合金材料、不锈钢材料、高强钢索等金属材料结构的抗火性能;从研究小室火灾环境下结构的抗火性能到研究大空间建筑火灾环境下结构的抗火性能;从研究火灾下结构抗火性能到研究火灾升降温全过程中结构抗火性能;从研究新建结构的抗火性能到研究改造加固结构的抗火性能;从仅有钢结构防火涂料的施工要求到规定了各种材料防火工程施工的要求;从颁布地方性建筑钢结构防火技术规程,到建筑钢结构防火技术行业规范,直至建筑钢结构防火技术国家规范颁布实施,每一阶段研究成果均形成了指导工程实践应用的技术文件。

我国建筑钢结构抗火安全评估与防火保护技术体系基于建筑火灾模拟技术、建筑钢结构抗火安全评估技术、建筑钢结构防火保护技术,已为百余项国家重点工程提供了火灾安全保障。中国工程标准化协会于 2009 年,从 30 年来所颁布的 267 本标准中,授予 CECS 200∶2006《建筑钢结构防火技术规范》为 10 部“优秀工程建设协会标准”之一;国家标准 GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》的颁布,填补了国内建筑钢结构防火领域的空白;“大跨度钢结构防火防腐关键技术与工程应用”获得 2014 年国家科技进步二等奖。

钢结构抗火设计对保证生命安全、增强结构抗火韧性、减小经济损失极为重要,钢结构抗火设计也应同抗震设计一样重视。随着我国经济与社会发展进程,需要对建筑钢结构抗火安全关键技术开展更深入和更全面的研究,为建筑钢结构防火技术的科学性和系统性奠定理论基础。