广州新电视塔外筒钢结构防火性能化设计安全评估与论证的分析探讨

第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会第一作者：王毅，男，1977.11，硕士，工程师，广东消防总队防火部，建筑审核。第二作者；严洪，男，1963.7，学士，高级工程师，建筑审核、消防产品监督广州新电视塔外筒钢结构防火性能化设计安全评估与论证的分析探讨王毅严洪（广东省公安消防总队，广州510640）摘要：本文在简单验算广州新电视塔火灾情况下外筒钢结构抗火性能的基础上，分析和对比了设计单位和专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方法和结论，探讨消防机构在进行建筑物性能化设计的审查中应注意的问题并提出建议。关键词：钢结构电视塔防火性能化设计分析1引言近年来，国内在新建建筑的设计和旧建筑物的改造过程中，由于现行建筑工程防火设计规范存在本身的复杂性、对安全的经济性因素影响考虑不够以及弹性较小等不足，造成建筑设计、审核中出现了具体规定的技术数据与日益扩大的建筑规模不相适应、对环境条件和社会因素影响考虑不周、新技术、新材料的推广使用受限制、特殊建筑的防火安全要求无法适用等难以解决的问题。设计和建设建筑物的根本目的是为了利用其生产、生活的使用功能，因此设计和建设中首先要保证的是建筑和场所的功能需求，讲求美观实用。以纯粹满足“消防规范”要求的“处方式”设计理念及其方法已决定了它不能适应新、奇、特建筑设计的需要。因此，引入以满足功能要求为先导的性能化防火设计方法就成为我们必然的选择。本文通过验算广州新电视塔火灾情景时外筒钢结构抗火性能，分析、对比设计单位和专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方法和结论，探讨消防部门在进行建筑物性能化设计的审查中应注意的问题，并提出意见和建议，以实现建设工程消防安全目标，保障消防安全。2广州新电视塔外筒钢结构抗火性能的验算第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会2.1钢建筑工程概况广州新电视塔位于广州市海珠区滨江东路，珠江文化带（城市坐标轴）与新城市中轴线（纵轴）交汇处的珠江南岸。该新电视塔高610m，其中主塔体高约450m、天线桅杆高160m。新电视塔＋6.8m层设有功能为登塔大厅的抬高广场，广场的水平高度为6.3m～6.7m。标高为±0.0m地面的地下一层位于广场下，其下分别是标高－5.0m和－10.0m的地下二、三层。新电视塔的建筑结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，其结构通过外部的钢斜柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒充分展现了建筑造型，见图2-1。核心筒内部设置了观光电梯、疏散楼梯和机电竖向管井等，核心筒平面尺寸为17m×14m（椭圆外墙的内壁尺寸）。图2-12.2外筒钢结构概况广州新电视塔塔体结构包括一个钢结构外筒，一个椭圆形混凝土核心筒以及连接这两者的钢结构楼面，外部钢架和核心筒之间的空间除空中云梯之外是空的。钢结构的桅杆天线直接建于核心筒顶部。钢结构外筒的最高点标高为462.8m。钢结构外筒用圆形钢管制造，立柱将填充钢筋混凝土，以形成具有相当强度和刚度的组合构件。环和斜撑没有填充混凝第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会土。钢结构外筒示意图见图2-2。由于钢结构外筒构件全部外露，本文中仅对塔体起主要支撑作用的外筒钢柱、环梁、斜撑等结构整体的抗火性能进行验算和论证。钢结构外筒立柱环斜撑图2-2钢结构的外筒是结构主要的抗侧力构件，包括三种类型的杆件：立柱、环和斜撑。外筒共24根柱，由地下二层柱定位点沿直线至塔体顶部相应的柱定位点，全部为钢管混凝土组合柱，柱截面尺寸由底部的钢管直径2.0m逐渐减小到顶部的1.2m。斜撑与钢管混凝土柱的连接采用刚性连接形式。外筒的环梁共有46组，环梁材料为钢管，环梁截面尺寸均为800mm，采用曲线形式，环梁与钢管混凝土柱通过节点连接。广场以上的楼面主梁支撑在核心筒和外部筒体柱上，采用H型截面钢。楼面次梁采用轧制型钢。主梁与核心筒和外部筒体柱的连接形式，以及主梁与次梁的连接形式均采用铰接。2.3外筒钢结构抗火性能验算的理论和方法2.3.1确立安全目标和要求钢结构抗火性能设计的目标是，通过结构抗火设计验算，安全、合理、经济地对钢结构采取防火保护措施，减轻和避免外筒钢结构在火灾中局部和整体倒塌造成人员伤亡、财产损失和灭火困难，减少消防费用(基建及维修)和预期火灾损失。具体就是应避免外筒钢结构整体达到抗火承载能力极限状态，避免温升引发结构整体丧失稳定。对该高度大于100m的超高层建筑，我们就整体结构进行抗火验算。在正常或在抗火条件下，当钢结构的承载达到极限状态时结构就不能继续承载，甚至被破坏。第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会为达到以上目标，外筒钢结构地抗火设计按照《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006要求，应满足下列条件之一：（1）在规定的结构耐火极限时间内，结构的承载力Rd不应小于各种作用产生的组合效应Sm，即Rd≥Sm（2）在各种荷载效应组合下，结构的耐火时间td不应小于规定的结构的耐火极限tm，即：td≥tm（3）火灾下，当结构内部温度分布一定时，结构达到承载力极限状态时内部某特征点的温度即临界温度Td不应低于在耐火时间内机构的最高温度Tm，即：Td≥Tm以上三个要求是等价的，满足其中一个要求即可保证结构未达抗火承载能力极限状态而能继续安全承载。2.3.2钢结构抗火评估方法抗火性能验算一般可用行为设计法、指定设计法。在指定设计法中，根据规范制定的抗火要求，例如半个小时，或两个小时，就可以很快地查表或计算得到需要的保护层的厚度，广州新电视塔比较特殊，数据基本超出了《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006各类表格数据的适用范围。行为设计法涵盖很广，基本上，规范只提出基本的要求，比方说最短疏散时间，结构的破坏程度，是否允许倒塌等。其余的过程可以是根据计算机软件的计算，也可以采用简单的算法，例如EC3就提供大量的简单算法，也可以查指定性设计法中的一些图表。复杂的设计所用的计算机软件可以包括CFD软件计算火和烟的传播情况，以及所能提供的疏散时间，疏散软件计算一栋楼的紧急疏散情况，普通的结构分析软件分析结构的反应等。本文中将采取《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006的有关数据和算法，进行结构抗火设计简单验算。2.3.3室内火灾空气升温广州新电视塔室内存在的两种情况：（1）一般场所内的室内火灾空气温度按照ISO834标准升温曲线考虑（图2-3）：第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会Tg(t)－Tg(0)＝345lg(8t+1)式中：Tg(t)——对应于t时刻的室内平均空气温度（℃）；Tg(0)——火灾发生前的室内平均空气温度，取20℃；t——荷载组合效应；图2-3标准时间温度曲线图（2）高大空间场所火灾的空气升温过程可按下式计算：T(x,z,t)－Tg（0)＝Tz[1-0.8exp(-βt)-0.2exp(-0.1βt)]×[η+(1－η)exp(－(x－b)/μ)]式中T(x,z,t)——对应于t时刻，与火源中心水平距离为x（m）、与地面垂直距离为z（m）处的空气温度（℃）；Tg（0）——火灾发生前高大空间内的平均空气温度，取20℃；Tz——火源中心据地面垂直距离为z（m）处的最高空气升温（℃），按《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006附录D确定；β——根据火源功率类型和火灾增长类型确定；b——火源中心至火源最外缘的距离（m）；η——温度衰减系数；μ——系数；2.3.4确立火灾荷载大小和位置第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006中给出了一些场所的火源功率设计值，按表2-1选取表2-1建筑类型火源功率设计值Qs(MW)设有喷淋的商场3设有喷淋的办公室、客房1.5设有喷淋的公共场所2.5设有喷淋的汽车库1.5设有喷淋的超市、仓库4设有喷淋的中庭1无喷淋的办公室、客房6无喷淋的汽车库3无喷淋的中庭4无喷淋的公共场所8无喷淋的超市、仓库20火源尺寸：考虑到在最不利情况的设计取值，要假定在喷淋系统失效的火灾情况下，选取对建筑标高为22.40m层的大空间场所且无喷淋的会议室火源功率设计取值为8MW，单位面积热释放速率Q按一般场所取值为250kW/m2。根据Qs＝Q×A，确定火源面积A为32m2根据Heskestad给出的火焰高度公式：L＝0.23Q0.4－1.02DQ——总释热速率中由对流部分所占的量D——火焰的等效直径AD4第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会火焰的平均温度Tf＝[(T41+T42)/2]0.25取纤维质材料T1内焰温度1273℃,T2外焰温度813℃。对该电视塔选取的大空间火灾场景参数设定如下：假设火灾位置位于玻璃幕墙侧靠近结构柱的位置。按火源功率取大空间中的8MW，强度为250kW/m2。火源面积取32m2时，火焰等效直径为6.38m。火焰高度为1.87m。地板面积为200m2，层高5.05m。火源功率为αt2，快速增长类型，火焰平均温度Tf为1112℃，黑度取值ε为0.8。根据大空间建筑空气升温计算式可得大空间场所Tmaxg＝386℃。（大约在500s时）2.3.5钢构件温度计算无论是一般建筑场所内的室内火灾还是高大空间场所火灾场景，外筒钢结构包括钢柱、斜撑、环梁和主梁的室外部分温度计算包括火焰与构件之间的辐射传热量，烟气与构件之间的辐射传热量，烟气与构件之间的对流传热量，计算构件温度时，不考虑火焰与构件直接接触，同时偏保守不考虑混凝土对钢柱的温升影响。另外，钢结构的耐火极限温度随其材质、结构的几何形状、截面系数、受载等多种因素的不同存在差别，与实际火灾，模拟火场无明显关联，也就是当钢结构的材质、结构的几何形状、截面系数、受载等因素确定后，其耐火极限温度是一定值。一个受载的钢结构，在钢材温度达到538℃之前都应保持承载力，这是一个基本准则。从消防工程的观点看，如果在火灾中钢结构在要求的耐火时间内没有达到538℃，就不需额外的防火保护。根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS200:2006和《高层民用建筑设计防火规范》中的规定，要求柱和斜撑的耐火极限3h，梁的耐火极限2h。根据计算的火焰尺寸和钢构件与火焰的相对位置，见图2-4，得出辐射角系数，建立热平衡方程式。第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会)1tan11tan1(2212212YXYYXYXX)293(21)293()()293(444444gsgcssgfgssTFTFFTTTFQ图2-4火灾场景火焰与钢构件的相对位置辐射角系数计算公式式中X＝A/C，Y＝B/CA——辐射面高度1/2（m）B——辐射面宽度1/2（m）C——辐射面到接受面的距离（m）热平衡方程式Qs＝VsρsCs×dTs/dtQs——单位时间内单位长度构件吸收的热量（kW/m）Vs——单位长度构件的体积（m3/m）ρs——钢的密度，7850kg/m3Cs——钢的比热，600J/kg℃dTs——单位时间内钢结构的升温(℃)dt——单位时间（s）同时又Qs＝Qgr+Qfr+Qsc－Q．frQgr为烟气与构件之间的辐射传热量，Qfr为火焰与构件之间的辐射传热量，Qsc为烟气与构件之间的传热量，Q．fr为钢构件向外辐射传热量。ε——火焰与构件之间表面之间的发射率，取0.8σ——StephanBoltzmann常数（5.67×10－8W/m2K4）第四届全国钢结构防火及防腐技术研讨会暨第二届全国结构抗火学术交流会Tf——火焰平均温度（K）Tg——构件表面温度（K）φ——辐射角系数Fs——单位长度钢构件的外表面积（m2/m）αc——钢构件表面烟气对流传热系数（取25W/m2K）ξ——钢构件受火焰辐射有效表面系数按照设计火灾场景得到钢构件附近的烟气温度，环境温度取293K。（20℃）得到大空间场所外筒各构件在耐火极限时间内的最高温度如表2-2表2-2构件最