变电站钢结构常规抗火方法及新型抗火方法探讨

汪 洋，李 攀，张 凯

(1. 苏州电力设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000； 2. 同济大学土木学院地下建筑与工程系，上海 200092)

钢结构具有强度高、抗震性能好等优点，但火灾下钢结构性能受温度影响十分明显。变电站涉及用电安全和经济健康发展，必须考虑结构抗火问题。

结构抗火是一个非常复杂的综合性问题，包括火灾下室内温度场、高温下建筑结构钢材的物理性能和力学性能、火灾模型、抗火性能指标以及结构抗火性能设计与计算等。从现有火灾发生次数、经济损失、人员伤亡等情况来看，目前常用的几种抗火措施并未起到理想效果。本文分析影响钢结构抗火的关键问题，剖析常规抗火方法的原理和特点，探讨抗火方法的新思路，对于变电站结构及其他结构抗火研究具有工程指导意义和前瞻性科学研究价值。

1 钢结构抗火的关键问题分析

1.1 高温下钢材的物理性能和力学性能

钢材作为一种金属材料，虽然材料本身不具有可燃性，但是其物理性能和力学性能受温度的影响非常大[1-3]。

(1)热膨胀系数。自然界中多数材料，尤其是钢材在温度变化时均会发生热胀冷缩现象。

(2)导热系数。研究表明，当温度处于750 ℃或800 ℃以下时，钢材导热系数与温度成反比，但是当温度超过800 ℃时，钢材导热系数大小基本保持稳定。

(3)比热容。研究表明，在温度低于750 ℃时，钢材比热容随温度的升高而增大，但是当温度到达750 ℃左右之后，钢材比热容达到极值点后急剧变小，最终趋于稳定。

(4)密度。钢材密度受温度的影响较小，可以忽略其在高温下的变化。

(5)弹性模量。弹性模量反映了材料发生单位变形时，外界所施加力的大小。根据现有抗火研究，钢材弹性模量随温度的变化比较大，在20～600 ℃和600～1 000 ℃两段温度范围内变化趋势不同。总体来说钢材弹性模量随温度的升高逐渐降低。

(6)等效屈服强度。在高温下，钢材屈服强度会因为温度的升高而逐渐减小。发生变形破坏时并不会表现出一个极限屈服平台。判定高温下结构钢是否达到了屈服的标准，往往根据相应温度下钢材应变的大小来判定。各国根据自己的研究成果，制定了适合本国国情的判断标准，基本是按照应变的0.2%、0.5%、1.5%或者2.0%所对应的应力大小作为结构失稳的影响破坏的判定标准。

(7)应力-应变关系。高温下钢材料的应力-应变关系比较复杂，国际上对应力-应变关系的研究也有很多，根据高温下结构钢的变形破坏特点，总体上可把钢材应力-应变状态分为3个阶段：比例极限阶段，弹塑性阶段以及坍缩破坏阶段。在第一阶段，钢材随温度的变化不大，随着温度的升高，应力-应变曲线尚为线性关系；当到了弹塑性阶段，随着金属晶体结构发生变化，构件发生塑性流动，结构钢的弹性模量也随着温度的升高而减小，钢材的应力-应变呈现一种比较复杂的非线性关系；最后在温度持续升高的情况下，应力不变，应变激增，结构彻底失稳，发生坍缩破坏。

(8)泊松比。随着温度的变化，钢材的泊松比会有所波动，但是波动范围较小。

由以上分析可以得知，高温对钢材各个物理和力学参数的影响不同，各个国家对于钢材的热膨胀系数均在规范中给出了不同的计算方法[4-5]。

为了计算方便，我国在进行钢结构防火设计时，通常把热膨胀系数、导热系数、比热容、密度、泊松比等作为常数量，而把弹性模量、屈服强度、应力-应变关系等分别表示为温度变量的函数关系，见表1。

表1 高温下钢材的物理和力学参数

1.2 火灾钢结构的破坏原因和形式

在高温作用下，钢材物理性能和力学性能，除了密度、热膨胀系数、导热系数、比热容等总体上都随着温度的升高而变大。而钢材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等随着温度的升高而下降，塑性和蠕变性能随温度的升高而增加[6]。

在火灾高温作用下，钢材有两种响应：一是高温下钢材料膨胀；二是高温下钢材的软化。以下分析火灾高温作用下钢框架结构的两种破坏形式。高温下钢结构的热膨胀变形如图1所示。由于钢材在火灾高温持续作用下产生热膨胀效应，随温度升高钢结构体积持续增大。受热钢结构对相连钢结构产生推力，并使其发生位移偏离。高温下钢结构热软化变形如图2所示。当火灾温度达到钢材的软化温度时，受热钢结构失去全部或部分承载能力，相连钢结构再一次产生位移偏离。火灾高温作用下钢结构的每一次位移偏离，都可能引起超静定框架体系的不稳定性，引发连续性垮塌。

图1 高温下钢结构的热膨胀变形

图2 高温下钢结构的热软化变形

1.3 关键科学问题

通过分析可以看出，火灾下钢结构破坏的原因是火灾产生高温集中热量作用下材料的微观和宏观效应。结构抗火的关键问题具体如下。

(1)如何有效堵截火灾高温集中热量对结构的影响。

(2)如何有效疏导结构上火灾高温集中热量。

(3)如何有效提高结构自身的抗火能力。

表2 常规抗火方法分类及特点

2 常规抗火方法原理及分类

2.1 常规抗火方法

钢结构防火保护时间是按照建筑结构构件的耐火极限来确定的[7-8]。

目前，常见钢结构抗火方法主要有喷涂法、屏蔽法、包封法、充水冷却法、喷淋法、新材料法等。喷涂法，是指直接在构件表面喷涂防火涂料、防火喷射纤维等隔热材料。屏蔽法，是把钢结构包藏在耐火材料组成的堵体或吊顶内。包封法，是在钢结构表面用现浇混凝土、防火板、耐火砖、矿物纤维、砂浆或灰胶泥等做耐火保护层把钢构件包裹起来，从而起到防火作用。充水冷却法，是指将钢构件制成空心体，在空心钢构件内填充经处理后的水，一旦发生火灾，让水循环带走热量，保护钢构件，达到提高耐火极限的目的。喷淋法，是在发生火灾时，结构体系空间内某一位置喷出水，降低空气温度和构件温度，从而减缓或阻断火灾的发生。新材料法，是从改变钢材在高温下性能角度出发，研发各种耐火钢材。在高温下耐火钢的物理性质与普通钢相似，但是力学性能有较大的改善[9]。在600 ℃时，钢结构件耐火钢的屈服强度高于室温强度值，弹性模量保持室温2/3值的75%左右。

2.2 常规抗火方法分类

常规抗火方法分类及特点如表2所示。

由材料分析可以看出：喷涂法、屏蔽法、包封法是从钢结构外表面采取措施对火灾高温进行堵截；充水法、喷淋法是采取措施将火灾高温热量进行疏导；而新材料法，则是提高钢材高温下的物理和力学力学性能。本文按照防火原理不同，将现有防火方法分为3类：堵截热量法、疏导热量法、提高性能自强法。堵截类方法，具有施工方便、装饰性好、成本低、无环境污染、后期维护工作量小等优点，目前是钢结构防火保护的最佳选择。谈建国等指出喷涂法、屏蔽法、包封法，提高耐火极限能力一般在0.5～3.0 h，而且耐久性差、容易脱落[10]。充水法，理论上最有效，但是需要考虑水对钢材的腐蚀、水的静压及水的循环控制系统及施工方面等问题，故不太适合采用。喷淋法，原理简单，但是根据《自动喷水灭火系统设计规范》，高度超过 8 m 的大空间建筑物，安装自动喷水灭火系统的作用不大[6]。新材料法，耐火钢在实际应用上，是不经济的。一般只对局部应用。

3 常规抗火方法原理的矛盾之处

通过分析可以发现,各种抗火方法均存在明显的优点和缺点。从抗火原理角度，分析堵截法和疏导法的矛盾之处。

3.1 堵截类抗火方法的矛盾之处

堵截法是在外表面采用一定性质和厚度的材料对钢结构产生防护作用，而这种防火材料的抗火性能一般优于钢材。比如，选用导热系数远低于钢材的建筑材料。

堵截法原理的矛盾性示意如图3所示。当发生火灾时，局部范围保护层在高温作用下产生破坏脱落。脱落入钢材承受高温热量，并向两侧传导，但是由于两侧保护层的存在，阻挡了与空气的对流散热。同时，除保护层脱落处，其余地方也不能采取救火措施对钢结构降温。堵截法的保护层是为了提高耐火极限，但是当发生火灾时却不利于救火和热量散失，反而降低了钢材的耐火极限。综上所示，当发生意外火灾时，低性能保护层在短时间内能产生堵截效应而具有一定的保护作用，但保护层的存在不利于钢材对高热量的散失，以及难以采取急救措施。

图3 堵截法原理的矛盾性示意图

3.2 疏导类抗火方法的矛盾之处

疏导法原理的矛盾性示意如图4所示。当设计喷淋点与实际着火点距离较远超出有效喷淋范围时，着火点仍然持续产生高温作用，导致钢结构破坏。当结构内部充水量不足或由于某种原因无法充水时，仍然会导致火灾高温破坏。综上所述，火灾发生地点和火灾规模都可能是意外，充水法有可能出现水量不足、甚至缺水的问题，而喷淋法可能面临无法完全覆盖着火点的问题。

图4 疏导法原理矛盾性示意图

4 新型抗火方法探讨

在经济高速发展背景下，钢结构应用范围越来越广，采用钢框架变电站也成为供电系统的重要选择方式。

由于疏导类抗火方法需要大量的配套设施，考虑经济性因素，钢结构抗火一般采用堵截类抗火方法。文献[11]指出城市国内生产总值(GPD)与火灾数量是正相关性。这说明，在经济和科技高速发展下，常规抗火措施并未起到明显的抑制作用。抗火方法研究，仍然是建筑界的一个重点关注的热点[12]。常规抗火方法在原理上就存在矛盾之处，应该探讨新型抗火方法。

4.1 基于蜂窝梁的变电站钢结构抗火方法

蜂窝梁由于轻质高强的特点，被广泛应用于大跨度结构中，在火灾下更有利于悬链效应的发展。文献[13]采用试验研究了有防火保护及无防火保护的实腹梁及蜂窝梁在火灾下的升温情况。结果表明，火灾下没有进行防火保护的实腹梁及蜂窝梁翼缘和腹板在升温速度基本一致。蜂窝梁蜂窝孔的设计，引起截面温度不均匀分布，使得钢梁挠度升温初期较大，但总体挠度较实腹梁要小。文献[14]进行了10组火灾试验研究了不同连接形式(包括靖板连接、柔性端板连接、平端板连接、腹板夹板连接及外伸端板连接)对火灾下钢梁悬链效应发展的影响。试验结果表明，平端板连接抗拉承载力较高，但破坏模式属于脆性破坏，腹板夹板连接的延性较好，火灾下受力性能最好。文献[15]指出小荷载和大跨高比的蜂窝梁在火灾时能充分发挥悬链效应，当孔洞位于腹板下方时，由于截面上部温度较低，更能发挥蜂窝梁的极限温度。

由分析可知，蜂窝梁能提高火灾时结构的受力性能和耐火极限温度。查阅现有文献资料，未发现将蜂窝梁应用于变电站钢结构的研究。因此，在未来的抗火研究中，应该考虑蜂窝梁形式的变电站钢结构。

4.2 基于热管的结构抗火方法

通过高温下钢结构的破坏原理分析可知，材料对高温下热量响应是火灾破坏的主要原因。通过常规抗火方法原理分析可以得知，任何抗火方法都是对高温下热量的处理方式。疏导法对抗火最有效，但是存在理论简单但实际应用困难的问题。堵截法不能有效地将热量导出，反而不利于防火。抗火性能的关键问题是火灾产生的高温集中热量的有效散失问题。

钢的导热系数一般在45 W·(m·K)-1左右，这意味着在一定时间内，1 m厚钢材，温差为1 ℃时通过1 m2面积传递的热量只有45 W。低效的热量传递，必然引起热量集中无法散失，进而引起局部钢材的高温软化破坏。从另一方面讲，将集中热量迅速导出，必然会减少钢材高温软化的可能，从而提高钢材的耐火极限。

热管是一种高效传热元件,它通过一个很小的面积可以传递大量的热量。除了传热效率高之外,它还具有体积紧凑、重量轻、无噪声等优点。热管的热导率远超过任何一种已知的金属。文献[16]在重力式热管研究中指出，热管当量导热系数最高可达3 000～15 000 W·(m·℃)-1。即热管的当量导热系数是钢材导热系数的66～333倍。文献[17]指出目前热管技术已经基本成熟，处于推广应用和研发应用阶段。因此，将钢结构或结构内部设计为热管形式或外部布置热管，必然能显著提高钢结构高温热量的传导能力，从而延缓高温破坏的时间甚至避免。

5 结语

(1)深入钢材火灾破坏机理分析，指出了结构抗火的3个关键问题：如何有效堵截火灾高温集中热量对结构的影响；如何有效疏导结构上火灾高温集中热量；如何有效提高结构自身的抗火能力。

(2)分析了常见抗火方法原理，提出了堵截法、疏导法、新材料的抗火分类方法。

(3)分析了堵截法抗火原理的矛盾之处：保护层在一定程度上提高了耐火极限，但是当发生火灾时却不利于救火和热量散失，反而降低结构的耐火极限。

(4)从抗火原理角度，探讨了蜂窝梁形式用于变电站钢结构抗火的可行性。

(5)从抗火原理角度，探讨了热管技术用于结构抗火时，可以显著提高结构抗火性能的全新思路。