變電站鋼結構常規抗火方法及新型抗火方法探討

汪 洋，李 攀，張 凱

(1. 蘇州電力設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2. 同濟大學土木學院地下建筑與工程系，上海 200092)

鋼結構具有強度高、抗震性能好等優點，但火災下鋼結構性能受溫度影響十分明顯。變電站涉及用電安全和經濟健康發展，必須考慮結構抗火問題。

結構抗火是一個非常復雜的綜合性問題，包括火災下室內溫度場、高溫下建筑結構鋼材的物理性能和力學性能、火災模型、抗火性能指標以及結構抗火性能設計與計算等。從現有火災發生次數、經濟損失、人員傷亡等情況來看，目前常用的幾種抗火措施并未起到理想效果。本文分析影響鋼結構抗火的關鍵問題，剖析常規抗火方法的原理和特點，探討抗火方法的新思路，對于變電站結構及其他結構抗火研究具有工程指導意義和前瞻性科學研究價值。

1 鋼結構抗火的關鍵問題分析

1.1 高溫下鋼材的物理性能和力學性能

鋼材作為一種金屬材料，雖然材料本身不具有可燃性，但是其物理性能和力學性能受溫度的影響非常大[1-3]。

(1)熱膨脹系數。自然界中多數材料，尤其是鋼材在溫度變化時均會發生熱脹冷縮現象。

(2)導熱系數。研究表明，當溫度處于750 ℃或800 ℃以下時，鋼材導熱系數與溫度成反比，但是當溫度超過800 ℃時，鋼材導熱系數大小基本保持穩定。

(3)比熱容。研究表明，在溫度低于750 ℃時，鋼材比熱容隨溫度的升高而增大，但是當溫度到達750 ℃左右之后，鋼材比熱容達到極值點后急劇變小，最終趨于穩定。

(4)密度。鋼材密度受溫度的影響較小，可以忽略其在高溫下的變化。

(5)彈性模量。彈性模量反映了材料發生單位變形時，外界所施加力的大小。根據現有抗火研究，鋼材彈性模量隨溫度的變化比較大，在20～600 ℃和600～1 000 ℃兩段溫度范圍內變化趨勢不同。總體來說鋼材彈性模量隨溫度的升高逐漸降低。

(6)等效屈服強度。在高溫下，鋼材屈服強度會因為溫度的升高而逐漸減小。發生變形破壞時并不會表現出一個極限屈服平臺。判定高溫下結構鋼是否達到了屈服的標準，往往根據相應溫度下鋼材應變的大小來判定。各國根據自己的研究成果，制定了適合本國國情的判斷標準，基本是按照應變的0.2%、0.5%、1.5%或者2.0%所對應的應力大小作為結構失穩的影響破壞的判定標準。

(7)應力-應變關系。高溫下鋼材料的應力-應變關系比較復雜，國際上對應力-應變關系的研究也有很多，根據高溫下結構鋼的變形破壞特點，總體上可把鋼材應力-應變狀態分為3個階段：比例極限階段，彈塑性階段以及坍縮破壞階段。在第一階段，鋼材隨溫度的變化不大，隨著溫度的升高，應力-應變曲線尚為線性關系；當到了彈塑性階段，隨著金屬晶體結構發生變化，構件發生塑性流動，結構鋼的彈性模量也隨著溫度的升高而減小，鋼材的應力-應變呈現一種比較復雜的非線性關系；最后在溫度持續升高的情況下，應力不變，應變激增，結構徹底失穩，發生坍縮破壞。

(8)泊松比。隨著溫度的變化，鋼材的泊松比會有所波動，但是波動范圍較小。

由以上分析可以得知，高溫對鋼材各個物理和力學參數的影響不同，各個國家對于鋼材的熱膨脹系數均在規范中給出了不同的計算方法[4-5]。

為了計算方便，我國在進行鋼結構防火設計時，通常把熱膨脹系數、導熱系數、比熱容、密度、泊松比等作為常數量，而把彈性模量、屈服強度、應力-應變關系等分別表示為溫度變量的函數關系，見表1。

表1 高溫下鋼材的物理和力學參數

1.2 火災鋼結構的破壞原因和形式

在高溫作用下，鋼材物理性能和力學性能，除了密度、熱膨脹系數、導熱系數、比熱容等總體上都隨著溫度的升高而變大。而鋼材的彈性模量、屈服強度、抗拉強度等隨著溫度的升高而下降，塑性和蠕變性能隨溫度的升高而增加[6]。

在火災高溫作用下，鋼材有兩種響應：一是高溫下鋼材料膨脹；二是高溫下鋼材的軟化。以下分析火災高溫作用下鋼框架結構的兩種破壞形式。高溫下鋼結構的熱膨脹變形如圖1所示。由于鋼材在火災高溫持續作用下產生熱膨脹效應，隨溫度升高鋼結構體積持續增大。受熱鋼結構對相連鋼結構產生推力，并使其發生位移偏離。高溫下鋼結構熱軟化變形如圖2所示。當火災溫度達到鋼材的軟化溫度時，受熱鋼結構失去全部或部分承載能力，相連鋼結構再一次產生位移偏離。火災高溫作用下鋼結構的每一次位移偏離，都可能引起超靜定框架體系的不穩定性，引發連續性垮塌。

圖1 高溫下鋼結構的熱膨脹變形

圖2 高溫下鋼結構的熱軟化變形

1.3 關鍵科學問題

通過分析可以看出，火災下鋼結構破壞的原因是火災產生高溫集中熱量作用下材料的微觀和宏觀效應。結構抗火的關鍵問題具體如下。

(1)如何有效堵截火災高溫集中熱量對結構的影響。

(2)如何有效疏導結構上火災高溫集中熱量。

(3)如何有效提高結構自身的抗火能力。

表2 常規抗火方法分類及特點

2 常規抗火方法原理及分類

2.1 常規抗火方法

鋼結構防火保護時間是按照建筑結構構件的耐火極限來確定的[7-8]。

目前，常見鋼結構抗火方法主要有噴涂法、屏蔽法、包封法、充水冷卻法、噴淋法、新材料法等。噴涂法，是指直接在構件表面噴涂防火涂料、防火噴射纖維等隔熱材料。屏蔽法，是把鋼結構包藏在耐火材料組成的堵體或吊頂內。包封法，是在鋼結構表面用現澆混凝土、防火板、耐火磚、礦物纖維、砂漿或灰膠泥等做耐火保護層把鋼構件包裹起來，從而起到防火作用。充水冷卻法，是指將鋼構件制成空心體，在空心鋼構件內填充經處理后的水，一旦發生火災，讓水循環帶走熱量，保護鋼構件，達到提高耐火極限的目的。噴淋法，是在發生火災時，結構體系空間內某一位置噴出水，降低空氣溫度和構件溫度，從而減緩或阻斷火災的發生。新材料法，是從改變鋼材在高溫下性能角度出發，研發各種耐火鋼材。在高溫下耐火鋼的物理性質與普通鋼相似，但是力學性能有較大的改善[9]。在600 ℃時，鋼結構件耐火鋼的屈服強度高于室溫強度值，彈性模量保持室溫2/3值的75%左右。

2.2 常規抗火方法分類

常規抗火方法分類及特點如表2所示。

由材料分析可以看出：噴涂法、屏蔽法、包封法是從鋼結構外表面采取措施對火災高溫進行堵截；充水法、噴淋法是采取措施將火災高溫熱量進行疏導；而新材料法，則是提高鋼材高溫下的物理和力學力學性能。本文按照防火原理不同，將現有防火方法分為3類：堵截熱量法、疏導熱量法、提高性能自強法。堵截類方法，具有施工方便、裝飾性好、成本低、無環境污染、后期維護工作量小等優點，目前是鋼結構防火保護的最佳選擇。談建國等指出噴涂法、屏蔽法、包封法，提高耐火極限能力一般在0.5～3.0 h，而且耐久性差、容易脫落[10]。充水法，理論上最有效，但是需要考慮水對鋼材的腐蝕、水的靜壓及水的循環控制系統及施工方面等問題，故不太適合采用。噴淋法，原理簡單，但是根據《自動噴水滅火系統設計規范》，高度超過 8 m 的大空間建筑物，安裝自動噴水滅火系統的作用不大[6]。新材料法，耐火鋼在實際應用上，是不經濟的。一般只對局部應用。

3 常規抗火方法原理的矛盾之處

通過分析可以發現,各種抗火方法均存在明顯的優點和缺點。從抗火原理角度，分析堵截法和疏導法的矛盾之處。

3.1 堵截類抗火方法的矛盾之處

堵截法是在外表面采用一定性質和厚度的材料對鋼結構產生防護作用，而這種防火材料的抗火性能一般優于鋼材。比如，選用導熱系數遠低于鋼材的建筑材料。

堵截法原理的矛盾性示意如圖3所示。當發生火災時，局部范圍保護層在高溫作用下產生破壞脫落。脫落入鋼材承受高溫熱量，并向兩側傳導，但是由于兩側保護層的存在，阻擋了與空氣的對流散熱。同時，除保護層脫落處，其余地方也不能采取救火措施對鋼結構降溫。堵截法的保護層是為了提高耐火極限，但是當發生火災時卻不利于救火和熱量散失，反而降低了鋼材的耐火極限。綜上所示，當發生意外火災時，低性能保護層在短時間內能產生堵截效應而具有一定的保護作用，但保護層的存在不利于鋼材對高熱量的散失，以及難以采取急救措施。

圖3 堵截法原理的矛盾性示意圖

3.2 疏導類抗火方法的矛盾之處

疏導法原理的矛盾性示意如圖4所示。當設計噴淋點與實際著火點距離較遠超出有效噴淋范圍時，著火點仍然持續產生高溫作用，導致鋼結構破壞。當結構內部充水量不足或由于某種原因無法充水時，仍然會導致火災高溫破壞。綜上所述，火災發生地點和火災規模都可能是意外，充水法有可能出現水量不足、甚至缺水的問題，而噴淋法可能面臨無法完全覆蓋著火點的問題。

圖4 疏導法原理矛盾性示意圖

4 新型抗火方法探討

在經濟高速發展背景下，鋼結構應用范圍越來越廣，采用鋼框架變電站也成為供電系統的重要選擇方式。

由于疏導類抗火方法需要大量的配套設施，考慮經濟性因素，鋼結構抗火一般采用堵截類抗火方法。文獻[11]指出城市國內生產總值(GPD)與火災數量是正相關性。這說明，在經濟和科技高速發展下，常規抗火措施并未起到明顯的抑制作用。抗火方法研究，仍然是建筑界的一個重點關注的熱點[12]。常規抗火方法在原理上就存在矛盾之處，應該探討新型抗火方法。

4.1 基于蜂窩梁的變電站鋼結構抗火方法

蜂窩梁由于輕質高強的特點，被廣泛應用于大跨度結構中，在火災下更有利于懸鏈效應的發展。文獻[13]采用試驗研究了有防火保護及無防火保護的實腹梁及蜂窩梁在火災下的升溫情況。結果表明，火災下沒有進行防火保護的實腹梁及蜂窩梁翼緣和腹板在升溫速度基本一致。蜂窩梁蜂窩孔的設計，引起截面溫度不均勻分布，使得鋼梁撓度升溫初期較大，但總體撓度較實腹梁要小。文獻[14]進行了10組火災試驗研究了不同連接形式(包括靖板連接、柔性端板連接、平端板連接、腹板夾板連接及外伸端板連接)對火災下鋼梁懸鏈效應發展的影響。試驗結果表明，平端板連接抗拉承載力較高，但破壞模式屬于脆性破壞，腹板夾板連接的延性較好，火災下受力性能最好。文獻[15]指出小荷載和大跨高比的蜂窩梁在火災時能充分發揮懸鏈效應，當孔洞位于腹板下方時，由于截面上部溫度較低，更能發揮蜂窩梁的極限溫度。

由分析可知，蜂窩梁能提高火災時結構的受力性能和耐火極限溫度。查閱現有文獻資料，未發現將蜂窩梁應用于變電站鋼結構的研究。因此，在未來的抗火研究中，應該考慮蜂窩梁形式的變電站鋼結構。

4.2 基于熱管的結構抗火方法

通過高溫下鋼結構的破壞原理分析可知，材料對高溫下熱量響應是火災破壞的主要原因。通過常規抗火方法原理分析可以得知，任何抗火方法都是對高溫下熱量的處理方式。疏導法對抗火最有效，但是存在理論簡單但實際應用困難的問題。堵截法不能有效地將熱量導出，反而不利于防火。抗火性能的關鍵問題是火災產生的高溫集中熱量的有效散失問題。

鋼的導熱系數一般在45 W·(m·K)-1左右，這意味著在一定時間內，1 m厚鋼材，溫差為1 ℃時通過1 m2面積傳遞的熱量只有45 W。低效的熱量傳遞，必然引起熱量集中無法散失，進而引起局部鋼材的高溫軟化破壞。從另一方面講，將集中熱量迅速導出，必然會減少鋼材高溫軟化的可能，從而提高鋼材的耐火極限。

熱管是一種高效傳熱元件,它通過一個很小的面積可以傳遞大量的熱量。除了傳熱效率高之外,它還具有體積緊湊、重量輕、無噪聲等優點。熱管的熱導率遠超過任何一種已知的金屬。文獻[16]在重力式熱管研究中指出，熱管當量導熱系數最高可達3 000～15 000 W·(m·℃)-1。即熱管的當量導熱系數是鋼材導熱系數的66～333倍。文獻[17]指出目前熱管技術已經基本成熟，處于推廣應用和研發應用階段。因此，將鋼結構或結構內部設計為熱管形式或外部布置熱管，必然能顯著提高鋼結構高溫熱量的傳導能力，從而延緩高溫破壞的時間甚至避免。

5 結語

(1)深入鋼材火災破壞機理分析，指出了結構抗火的3個關鍵問題：如何有效堵截火災高溫集中熱量對結構的影響；如何有效疏導結構上火災高溫集中熱量；如何有效提高結構自身的抗火能力。

(2)分析了常見抗火方法原理，提出了堵截法、疏導法、新材料的抗火分類方法。

(3)分析了堵截法抗火原理的矛盾之處：保護層在一定程度上提高了耐火極限，但是當發生火災時卻不利于救火和熱量散失，反而降低結構的耐火極限。

(4)從抗火原理角度，探討了蜂窩梁形式用于變電站鋼結構抗火的可行性。

(5)從抗火原理角度，探討了熱管技術用于結構抗火時，可以顯著提高結構抗火性能的全新思路。