機場航站樓屋頂鋼結構防火性能化分析

王洪欣，查曉雄，余 敏，王海洋

(哈爾濱工業大學深圳研究生院城市與土木工程學科部，518055廣東深圳，wanghongxin15@163．com)

機場航站樓屋頂鋼結構防火性能化分析

王洪欣，查曉雄，余 敏，王海洋

(哈爾濱工業大學深圳研究生院城市與土木工程學科部，518055廣東深圳，wanghongxin15@163．com)

為了得到某機場航站樓屋頂鋼結構的抗火性能，利用火災動力學、傳熱學和有限元分析相結合的方法，通過火災危險性分析，按照可信最不利原則設定機場航站樓結構火災場景;運用火災動力學軟件FDS和傳熱學公式得到火災影響區域構件溫升曲線，建立結構有限元模型，并結合結構荷載條件和溫升曲線計算出結構在設定火災場景下的力學性能．結果表明:部分結構構件在火災下內力增加很多，甚至接近構件在火災溫度下的設計強度，但結構整體豎向位移相對于整體跨度較小，整體結構仍然處于安全狀態．為了整體安全，利用結構自身強度來進行有效的抗火設計，通過加強空間結構的整體性和超靜定次數可以有效提高結構的抗火性能．

機場航站樓;鋼結構;抗火性能;防火性能化

隨著航空業的飛速發展、旅客數量的大幅增加，越來越多的機場航站樓建筑采用單一大屋蓋結構形式，這種結構形式的建筑通常表現為面積巨大，此外還呈現空間巨大，幾層空間相互連通等建筑特點，營造出內部空間開敞通透的視覺效果和華麗的建筑外表的同時，也使結構建筑的火災安全設計與研究遇到了很多新的挑戰．然而國內外機場火災事故又不斷發生，例如2006年泰國曼谷機場一號航站樓發生火災;2008年武漢天河機場2號航站樓失火等．由于鋼結構抗火能力較差，一旦機場航站樓內的重要鋼結構構件在火災中失效，將導致嚴重的后果［1－3］．因此，不少學者提出火災下結構整體性能的研究思想［4－6］，有關整體結構在火災下的反應和破壞方面的研究日益成為一種迫切需要．

本文以某國際機場航站樓屋頂鋼結構為研究對象，根據機場航站樓內的可燃物、通風條件和空間大小等特性，運用防火性能化設計和有限元分析相結合的方法對該航站樓內鋼結構屋頂在火災下的力學性能和整體結構的穩定性進行分析，并進行火災下的安全性能評估，在不影響結構抗火安全水平的前提下合理提出結構的防火保護要求．

1 工程概況

本項目機場航站樓屬于超長大跨度空間鋼結構，整個結構主要由主指廊、副指廊、十字交叉指廊、主指廊與主樓結合部位、主航站樓等5大部分組成．總建筑面積約為45.9×104m2，南北方向最大約1 000 m，東西方向最大約650 m，建筑最高處高度約為46.5 m．航站樓屋蓋承重體系采用復雜的大跨度空間鋼桁架結構．航站樓整體建筑效果如圖1所示，5大部分組成如圖2所示．本文主要分析機場航站樓屋頂鋼結構的抗火性能，以主指廊01區域為例，介紹屋頂鋼結構的抗火性能分析過程．

圖1 某機場航站樓整體效果

圖2 某機場航站樓區域示意圖

2 荷載條件及火災場景設定

2.1 荷載條件

根據建筑鋼結構防火技術規范［7］規定，鋼結構抗火驗算時，可按偶然設計狀況的作用效應組合，分別采用下式較不利的情況．

其中:ψf為屋面活荷載的頻遇值系數，ψq為屋面活荷載的準永久值系數．

根據設計方提供的資料，永久荷載SGk為結構自重的130%，并包括表皮的附加自重1.0 kN/m2;活荷載標準值SQk取1.0 kN/m2;風荷載標準值SWk按下式取值．

其中:w0為基本風壓，μs為風荷載體型系數，主指廊結構風壓高度變化系數μz取1. 77，風振系數βz取2.0(根據設計方提供)，平均風壓由同濟大學風洞試驗確定．

2.2 火災場景及溫度計算

本文主要分析機場航站樓屋頂鋼結構的抗火性能，選取主指廊結構為例，介紹屋頂鋼結構的抗火性能分析過程．主指廊最高層為8.8 m層，在進行屋頂鋼結構抗火分析時，設定火災發生在8.8 m層商鋪內，商鋪有“開放艙”進行保護．“開放艙”包括一個堅實的有足夠耐火極限的頂棚，覆蓋在整個火災荷載相對較高的區域之上，如商業區域．頂棚下設自動探測報警系統、自動噴水滅火系統等，頂棚四周設有一定深度的擋煙垂壁．根據有關單位面積熱釋放速率的建議和以往經驗，商店在滅火系統失效情況下的火災規模保守取值為10 MW．不考慮火災出現陰燃階段，假設商鋪為快速t2發展火，則火災規模發展至10 MW約需462 s，而機場設有自己的專職消防隊，一般會在5 min之內到達火場展開撲救，因此假設是比較保守的．

對于機場航站樓內商店火災來說，10 MW的熱釋放速率峰值可以認為是在同一時刻燃燒的火災面積最大可達到18 m2，根據對艙保護下火災煙氣蔓延的模擬結果，保守估計火災對頂部鋼結構的影響區域為邊長10 m的方形區域．

考慮到不同高度及距離的鋼構件可能受火災影響的嚴重程度不同，具體溫度分析與計算過程為:1)艙保護下的商鋪火災對頂部和側面構件的影響由FDS模擬分析，包括空間煙氣的溫度及構件接受的輻射熱流量;2)敞開區域的餐飲火災由設計的火災規模、火焰高度計算公式及傳熱學公式計算，包括火焰面對頂部鋼構件的輻射以及煙氣對流傳熱;3)計算過程中均假定所有鋼構件均未做防火保護．主指廊結構火災位置如圖3所示．經FDS模擬及傳熱學分析得到的主指廊屋頂鋼構件的溫升曲線，如圖4所示．

圖3 主指廊火災位置示意圖

圖4 主指廊火源影響區域溫升曲線

3 有限元分析

由于結構的抗火試驗需要耗費相當長的時間，試驗的費用也相當昂貴，對于機場航站樓等高大空間結構，現有條件無法進行足尺試驗．目前結構火災下力學性能的分析方法主要采用非線性有限元對整體結構進行模擬，它能準確地反應整體結構在真實火災下的實際性能［8－9］．

3.1 有限元模型建立

主桁架和斜桁架中的梁構件采用梁單元B31模擬，桁架中的腹桿采用桿單元T3D2模擬，表皮采用殼單元 S4R進行模擬［10］．主指廊結構共有27種梁和桿的截面，則需分別對每種構件進行截面屬性的賦予和梁截面方向的定義，有限元模型見圖5．結構構件采用Q345鋼，結合設計方提供的資料和文獻［7］，鋼材在高溫下的材料性能見文獻［7］．將計算出的荷載賦予結構，根據設計方提供的支座邊界資料來設定主指廊結構支座約束，最后將FDS模擬及傳熱學得到的溫升曲線賦予結構對應構件上，結構溫升區域見圖6．

3.2 有限元分析結果

對比式(1)、(2)的計算結果，發現結構在式(1)時更為不利．針對式(1)，分別分析火源側面內層主桁架、火源側面外層主桁架、火源上方內層主桁架和火源上方外層主桁架的構件在不同時刻最大應力與對應溫度下的設計強度．受火影響區域中的構件以“火源側面內層主桁架”為最不利位置，見表1．

圖5 主指廊結構有限元模型

圖6 主指廊結構火災影響區位置

表1 不同時刻最大應力與對應溫度下的設計強度(火源側面內層主桁架)

在式(3)的荷載條件時，最不利主桁架位置為火源側面內層主桁架，該處構件的最大應力為113.59 MPa，小于鋼材在該火災溫度下的設計強度(325 MPa)，主桁架構件滿足承載力要求．主指廊結構最不利的主要構件為火源上方內層主桁架構件．火災下，主桁架結構最不利位置見圖 7，其主應力隨時間變化曲線如圖8所示．

圖7 最不利主桁架構件位置

圖8 最不利主桁架構件應力－時間曲線

從上述分析可知，主桁架構件在火災下，隨著溫度的升高，主應力和軸力增大，而構件彎矩減小．由于構件溫度的增加，構件受熱膨脹，同時又受到周圍構件的約束，而使構件軸力大幅增加．又由于火災下鋼材模量降低，節點軟化，從而約束構件端部的受彎能力下降，構件承受彎矩降低．再加之彎矩降低的幅度小于軸力增加的幅度，構件主應力增加．

3.3 強度及穩定性驗算

經上述分析，最不利位置為火源上方內層主桁架結構構件．根據文獻［7］，高溫下拉彎或壓彎鋼構件的強度和穩定承載力按下式驗算，式中各參數物理含義見文獻［7］．

繞弱軸(構件截面對應X軸)時:

火源上方內層主桁架構件為最不利構件，截面面積A為7.05×10－2m2，回轉半徑ix為8.96×10－2m，長度為 1.09 m，強軸 Wy為 6.01 ×10－3m3，強軸 Wx為 3.769 ×10－3m3．構件軸力 N為－5 836 kN，X軸彎矩Mx為1.431 kN·m，Y軸彎矩My為62.523 kN·m，截面塑性發展系數γx=γy=1. 05，最高溫度為43.87℃，此時強度折減系數 ηT為1.0．γR為 1. 1，φxT= φyT=0. 988，φ'bxT=0. 99，βmy= βtx=0. 802，η =0. 7，N'EyT=889.953 N．參數物理意義見文獻［7］．強度驗算結果:式(4)左端=88.08 MPa＜325 MPa(右端)．穩定驗算結果，強軸(Y軸)驗算:式(5)左端=86.96 MPa＜325 MPa(右端)．弱軸(X軸)驗算:式(6)左端=83.1 MPa＜325 MPa(右端)．

由以上分析可知，主航站樓屋頂鋼結構構件在最不利火災場景下，滿足強度和穩定承載力要求．

3.4 其他部分防火分析

同理，采用上述分析方法對機場航站樓其他4個部分在最不利火災場景下，受火1 h的防火性能分析，5個部分的最不利結構構件位置及構件最高溫度見表2．副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結合部位的鋼結構構件在設定最不利火災條件下的溫升較小，而主樓屋頂構件的溫升很大．

表2 屋頂鋼結構火災影響區域構件溫度 ℃

對設定火災下各區域屋頂鋼構件的抗火承載力驗算及安全性評估見表3．副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結合部位的鋼結構構件在設定最不利火災條件下的滿足穩定承載力的要求，而主樓屋頂主桁架構件的主應力達到構件在火災溫度下的設計強度，而且穩定承載力也不滿足規范要求．這主要因為主樓屋頂主桁架構件在設定最不利火災場景下溫升較大，一方面材料本身強度和彈性模量降低，易屈服;另一方面，構件受熱膨脹，受到周圍構件的約束，溫度應力增加較大所導致．但在設定火災場景下，由于結構整體性和超靜定次數較多，結構整體豎向位移相對于整體跨度來說都不是很大，整體結構仍然處于安全狀態．

4 結論

1)采用性能化防火設計與有限元分析相結合的方法對某機場航站樓屋頂整體鋼結構的抗火性能進行研究，結果表明:副指廊、主指廊、十字交叉指廊和結合部位在最不利火災場景下，結構構件離火源位置稍遠，鋼結構構件溫升較小，從而這些部位的主桁架構件由溫度增加的應力較小，滿足承載力要求而不需要對其進行防火保護．

2)航站樓主樓屋頂鋼構件直接暴露在火源上方，火焰的強輻射、煙氣的熱對流和熱輻射使構件快速升溫，一方面鋼材自身強度和模量降低，易屈服;另一方面，構件受熱膨脹，受到周圍構件的約束，溫度應力增加較大．但由于結構整體性和超靜定次數較多，結構整體豎向位移相對于整體跨度來說都不是很大，整體結構仍然處于安全狀態．

3)以某機場航站樓屋頂空間網架結構為背景，從結構體系的整體安全的角度出發，考慮利用結構自身強度來進行有效的抗火設計，通過加強空間結構的整體性和超靜定次數可以有效提高空間網架結構的抗火性能．

表3 屋頂鋼結構構件承載力及整體結構位移驗算

［1］ 彭益鋒．機場航站樓和地鐵類結構性能化防火研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009．

［2］ PENG Yifeng，HAN Xishuang，ZHA Xiaoxiong．E-vacuation safety management of airport terminal under fire circumstance［C］//2009 International Conference of Management Engineering and Information Technology．Zhengzhou:IEEE，2009:247 －250．

［3］ 李引擎．建筑防火性能化設計［M］．北京:化學工業出版社，2005:180－181．

［4］ ELGHAZOULI A Y，IZZUDDIN B A，RICHARDSON A J．Numerical modeling of the structural fire behavior of composite buildings ［J］．Fire Safety Journal， 2000，35:279－297．

［5］ RICHARD LIEW J Y，TANG L K，CHOO Y S．Advanced analysis for performance-based design of steel structures exposed to fires［J］．Journal of Structural Engineering， 2002，1584－1593．

［6］ HOWARD R B．Simulating fire effects on complex building［C］//Eight(8th)International Symposiums．Beijing:International Association for Fire Safety Science，2005:189 －200．

［7］ CECS 200: 2006，建筑鋼結構防火技術規范［S］．北京:中國計劃出版社，2006．

［8］ 殷穎智，施碧波．鋼結構抗火設計在中國大型公共建筑中的應用［C］//第五屆全國鋼結構防火及防腐技術研討會暨第三屆全國結構抗火學術交流會．上海:同濟大學出版社，2009:29－37．

［9］ 叢北華，廖光皇，韋亞星．計算機模擬在火災科學與工程研究中的應用［J］．防災減災工程學報， 2005，23(3):63－69．

［10］ 莊茁，張帆，岺松．ABAQUS非線性有限元分析與實例［M］．北京:科學出版社，2005:123－129．

Performance-based fire resistance on airport terminal steel roof

WANG Hong-xin，ZHA Xiao-xiong，YU Min，WANG Hai-yang

(Civil Engineering，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China，wanghongxin15@163．com)

Fire dynamics，heat transfer and finite element analysis method were used to obtain the fire resistance of airport terminal steel structure．First，the credible and most dangerous fire scenarios of airport terminal roof were adopt．Then，the fire dynamics software FDS and the heat transfer formula were used to get the temperature rise curves in the fire affected region．Finally，the model of the structure was set up by finite element method，the load conditions and temperature rise curves were combined to calculate the mechanical properties of the structure．The resulit shows that the internal force of some members in the structure are increased and even close to the design strength，but the vertical displacement of the structure is relatively small to the overall span of the structure，the structure is still in safe condition．From the perspective of overall security，it is efficient to carry out the fire-resistant design of structure by its own strength，and to improve the fire-resistant properties of the structure by strengthening the integrity and increasing the number of statically indeterminate．

airport terminal;steel structure;fire resistance;performance-based fire resistance

TU391

A

0367－6234(2011)08－0026－05

2010－03－26．

深圳市科技計劃項目深港創新圈深科信(2009)37號．

王洪欣(1983—)，男，博士研究生;

查曉雄(1968—)，男，教授，博士生導師．

(編輯 魏希柱)