由于钢结构耐火性能差,耐火极限短,一般都要进行耐火设计或评估,通过防火保护提高钢结构在火灾中的耐火性能。2006年,同济大学曾采用标准升温曲线作为火作用对广州新电视塔火作用下钢结构进行安全评估;建研防火设计性能分析评估中心有限公司以标准升温曲线作为火作用,采用有限元方法对河南省广播电视发射塔工程钢结构进行瞬态热分析。上述评估均采取标准火作用,与实际工程有一定差别,同时未考虑构件之间的温度应力,与实际不符。笔者以某高架仓库为对象,根据建筑结构性能化抗火评估原则,即“具体结构具体分析,具体火环境具体分析”,运用工程学原理,得出较为科学的评估结论,并针对工程实际存在的问题,提出合理可行的技术措施,保证钢结构工程安全可靠。

某轮胎有限公司以研制和加工生产高科技汽车轮胎制品为主。所研究工程高架仓库采用全钢结构,主要构件材料为Q345B钢材,设计强度315 N/mm2。 库区长122.5m,由70个长为1.75m的储存隔间组成。宽41m,由14个宽度为1.661m的储存隔间组成,各个隔间之间设置宽度为2.021m的通道,用于升降机取放轮台。结构体系采用密柱货架直接支承屋盖结构的门式刚架。柱顶标高为40.55m,分为17层储存隔间。横向门架仅在奇数列布置门架梁,在偶数列不布置门架梁。每个隔间分2层存放10 个轮胎,直接放在2 个相邻的钢梁之间。横向、纵向、竖向每个隔间之间并未设置分隔构件。图1为高架仓库结构平面图。图2为高架仓库横向刚架梁结构图(对称轴左侧部分)。

图1 高架仓库结构平面图   下载原图

图2 高架仓库横向刚架梁结构图(对称轴左侧部分)   下载原图

计算的仓库结构主要构件的几何参数,如表1所示。

表1 仓库结构主要构件参数     下载原表

本高架仓库专门用于储存轮胎。储存隔间共计70×14×17=16 660个,每个隔间10个轮胎。满储存时共计166 600个轮胎,该仓库专门用于储存某特定工厂生产的轮胎,其规格是确定的。轮胎在仓库纵向储存位置示意图如图3所示。横向储存位置示意图如图4所示。

图3 轮胎储存纵向位置示意图   下载原图

依据国家消防工程技术研究中心针对所储存轮胎开展的实体轮胎火灾试验结果设计火作用模型。具体试验过程及结果详见文献[4]。依据该试验结果,该仓库火灾发展的各主要时间节点如表2所示。

表2 轮胎火灾特征     下载原表

依据表2,对该仓库火灾做如下假定:假设轮胎仓库火灾达到稳定燃烧时段的平均温度为800 ℃;2个标准存储隔间稳定燃烧持续时间为140×10=1 400s;存储隔间达到稳定燃烧的时间取180s;存储隔间纵向点燃时间为火源隔间点燃后60s;存储隔间竖向向上蔓延点燃时间为下一隔间点燃后70s;存储隔间火灾熄灭时间为持续稳定燃烧完毕后300s。

根据上述假设,每个隔间的火灾温度如式(1)所示。

式中:Tf为火灾平均温度,℃;t为火灾持续时间,s。

取仓库纵向中间部位某一榀支撑斜梁的刚架(纵向奇数列)作为计算单元,火灾只在纵向、竖向上下储存隔间蔓延,如图4所示。

根据这种火灾蔓延方式,最不利火灾场景只有一种,即在货架底层起火,向上和沿仓库纵向延烧,直至把该列货架所存轮胎烧完后熄灭(不考虑灭火设施作用),火灾的持续时间最长。

图4 起火货架示意图   下载原图

假定在火灾达到稳定燃烧时,各个储存隔间空间各点温度处处相同,所以在同一隔间内,钢柱的温度也是均匀的。把钢柱总高度沿轴向按2.32 m划分为17 个单元,每个储存隔间的钢构件受到本层和所有下层隔间的火焰或烟气的热作用,取本层和下层烟气的最高温度计算构件温度。火焰烟气在上升中温度会降低,假定每上升1层,温度降低150 ℃。例如,1层起火后180s,1层温度按800℃计算,2层虽已被引燃,但未达到稳定燃烧,只有497 ℃,所以2层温度按650 ℃计算,3层按500 ℃计算,4层按350℃计算,5层按200℃计算,6层按50℃计算,7层以上不考虑。按此原则可计算出1至17层火作用的温度随时间的值。图5为1、6、17层储存隔间的火作用温度-时间曲线。

图51、6、17层储存隔间的火作用温度-时间曲线   下载原图

火灾下钢构件的升温可按如式(2)所示的增量法计算,其初始温度取20 ℃,具体过程详见文献[5]。

式中:Δt为时间增量,s;Ts为钢构件温度,℃;Tg为火灾下钢构件周围空气温度,℃;B为钢构件单位长度综合传热系数,W/(m3·℃);cs为钢材比热容;ρs为钢材密度。

按上述文献所采用的集总热容法所建立的温度计算模型,取 Δt=1s,可编程计算各存储隔间钢柱和钢梁的温度,图6和图7为1、6、17层未保护钢柱和钢梁的温度时间-曲线。

图6 计算的储存隔间1、6、17层未保护钢柱的温度   下载原图

图7 计算的储存隔间1、6、17层未保护钢梁的温度   下载原图

此研究不考虑变形,只考虑内力分量,并以截面上的应力来表达。作用效应由两部分组成,常规作用效应和温度作用效应。采用下式进行作用效应组合:1.1 永久荷载+1.2雪荷载+1.1活载+1.0温度荷载(热膨胀引起的间接作用)。

取图8所示的门架作为计算单元,其负载面积横向为3.672m,纵向为3.5m。

图8 计算钢柱平面布置图   下载原图

根据结构设计说明,常规作用荷载如下:屋面雪荷载0.42kN/m2;屋面恒载0.22kN/m2;屋面活荷载1.2kN/m2;屋面附加荷载0.11kN/m;小计1.95kN/m2。

根据图2,将每根C4柱负荷范围的荷载直接折算到该柱柱顶,集中力p=13.97kN。

每层C4柱及相关构件自重计算每层货架柱底节点力结果如下:LA梁0.096kN;LAT2,斜撑0.063kN;纵向水平系杆B1为0.053kN;纵向水平斜杆DB1为0.064kN;C4柱0.274kN;储存轮胎3.675kN;小计4.65kN。

对于大多数内柱,主要承受轴力而弯矩很小,可按轴心受压构件考虑。根据图2,中间列货架临近通道的2根C4钢柱受力最大,选取起火柱列右侧钢柱作为目标评估对象,其常规作用效应,柱子在顶端承受斜梁集中力p=13.97kN,向下每延长一个储存隔间高度,轴力增加4.65kN。由于1层钢柱的轴力最大,而1层与上层钢柱的温度相同,所以取1层钢柱作为评估对象。根据构件参数,钢柱的初应力为:σ0=N/(A·φ)=71.3N/mm2。

横梁LA直接承受轮胎重力,储存轮胎柱子的节点力折算成均布荷载为2.434kN/m,将梁在横向视为简支梁,其跨中弯矩M=0.839kN·m。梁与柱连接根部弯矩M=0.562kN·m。钢梁最大正应力为839 000/7 750=108N/mm2。

构件抗力是指构件在火灾中随温度升高后的抵抗荷载的能力,如以应力方式表达则为钢材的高温设计强度,此研究按英国BS 5950《钢结构规范》取值计算。根据温度计算结果,未保护的货架柱和梁的最高温度为710 ℃,根据BS 5950钢材高温强度折减系数为0.174,故构件的抗力亦即钢材的高温设计强度为fyT=54.9N/mm2。

根据结构的极限状态设计原理,只有当结构抗力大于作用效应时,结构才处于可靠状态,否则结构失效。不考虑钢柱的温度应力,钢柱的作用效应:Sf=σ0=71.3>fyT=54.9N/mm2。钢梁因约束作用很小,不考虑温度应力,其作用效应Sf=σ0=108>fyT=54.9N/mm2。因此,货架钢柱和钢梁失效,必须采取技术措施才能保证钢结构安全。

为保证高架仓库钢结构即使在灭火设施失效极端不利情况下仍能保证安全,提出如下技术方案:

(1)为兼顾保护屋面彩钢板,在门架斜梁下表面全部水平设置防火吊顶,要求防火板在800 ℃内的平均导热系数不超过0.15 W/(m·℃),其厚度为20mm。

(2)钢柱、钢梁、支撑等其他构件喷涂厚涂型防火涂料,要求涂料在800 ℃内的平均导热系数不超过0.1 W/(m·℃),喷涂厚度10mm。

上述技术措施能否保证仓库钢结构的抗火安全,需要重新进行评估。由于估计到原设计不能满足抗火安全,为简单起见,在不考虑钢柱的温度应力情况下进行评估。设置保护层后的评估必须考虑钢柱受到轴向约束所产生的温度应力。

喷涂导热系数为0.1 W/(m·℃),厚度为10 mm的涂料后,重新编程计算钢柱的温度。图9为受保护的1、6、17层钢柱温度-时间曲线。设置保护层后,钢柱的温度由原来的710 ℃降低到395~401 ℃。

图9 受保护的1、6、17层钢柱温度-时间曲线   下载原图

采取笔者建议的技术措施后,钢梁和屋面系统因约束作用较小,不考虑温度应力,可以保证抗火安全。以下对货架钢柱的温度应力进行计算。

采用文献[7]温度应力计算方法来评估钢柱的温度应力。温度应力水平亦即温度应力与钢材常温设计强度之比,计算公式如式(3)所示。

式中:ΔT为钢柱与环境的平均温升,℃;k1为弹性段斜率;T1、T2、T3为各段温度分界点。

根据4.3.1节钢柱温度计算结果,目标柱1层在30min时达到最高温度395 ℃,此时柱全高平均温度为327℃。根据4.1.2节计算结果确定目标柱初始应力水平,根据钢构件尺寸确定长细比,利用结构力学求解器计算出目标柱顶端变形,并求其倒数获得钢柱的约束刚度。由以上参数,依据文献[7]计算目标柱温度应力水平。经计算,目标柱在最高温度时温度应力为80.1N/mm2。

目标柱1层在30min时达到最高温度395 ℃,根据英国规范,钢材高温强度折减系数为0.800 8,构件的抗力亦即钢材的高温设计强度为:fyT=0.800 8×315=252.3N/mm2。

根据4.1.2节,目标柱初始应力为71.3N/mm2,根据4.3.2节,目标柱温度应力为80.1N/mm2。根据结构的极限状态设计原理:Sf=71.3+80.1=151.4<fyT=252.3N/mm2。

可知设置保护层后,钢柱的温度显著降低,其材料强度显著提高,即使在最不利的1层货架,初应力与温度应力之和为151.4N/mm2,远小于此时的钢材强度252.3N/mm2,所以结构处于可靠状态。评估所选钢柱处于货架中间部位,斜梁的截面高度最大,约束刚度也最大,温度应力也最大的最不利位置,可以推断,其余货架钢柱可保证安全。