某机场二期航站楼钢结构防火保护消防性能化设计
李明霞1 张倩2
（1.青海省消防总队，青海 西宁；2.河北省消防总队，河北 石家庄）
摘要：某机场二期航站楼顶部采用了高大的空间钢结构屋盖，但航站楼内公共空间主要是人流通行区域，若用没有防火保护的普通建筑用钢结构作为建筑物承载的主体，一旦发生火灾，钢结构在直接受火的作用下很容易失去稳定性，则建筑物会发生坍塌。针对本项目钢结构制定更合理的保护方案，并对方案的可行性和有效性进行验证。
关键词：机场航站楼；钢结构；消防性能化设计
1 工程概况
本工程为某机场二期航站楼项目，地上二层，地下一层，总建筑面积43950.0m2，建筑高度30.382m（结构桁架中心线高度），结构形式为框架、钢结构。设计使用年限为50年。
站坪机位数17个，国内机位数16个，国际机位1个，本期航站楼近机位10个。高峰小时旅客吞吐量1855人，其中国内部分为1699人，国际部分为156人。
平面呈“工”字布局，为走廊式构型。走廊端放大作为集中候机区，航站楼全部作国内使用，根据建筑功能和结构变形缝将平面分为ABC三段，A段为新老航站楼连廊，B段主楼，C1段指廊，C2段连廊。
某机场二期航站楼（见图1）工程二层大厅为钢结构，办票大厅和候机厅钢结构如图2～图5。
图1 某机场二期航站楼
图2 办票大厅钢结构轴测图
图3 办票大厅钢结构剖面图及钢构件尺寸
图4 候机厅钢结构轴测图
图5 候机厅钢结构剖面图及钢构件尺寸
2 钢结构防火保护设计
《建筑设计防火规范》第5.1.1条规定：耐火等级为一级的建筑中，柱必须为不燃烧体，达到3.00h耐火极限；梁必须为不燃烧体，达到2.00h耐火极限；屋顶承重构件为不燃烧体，达到1.50h耐火极限。
航站楼顶部采用了高大的空间钢结构屋盖，由钢柱支撑。根据《建筑设计防火规范》规定，其钢结构（如柱、梁、承重构件、吊顶等）须达到相应耐火等级。但航站楼内公共大空间主要是人流通行区域，火灾危险较低，且火灾荷载距屋顶结构的距离较大。如果不根据各区域火灾危险及其对构件影响程度的实际情况而对屋盖及支撑结构进行全面保护，则不符合航站楼内火灾荷载分布的特点，造成投资浪费，也会对建筑效果产生不利影响。故如何针对本项目钢结构制定更合理的保护方案需通过分析计算确定。
针对以上突破规范的消防设计问题，本着安全适用、技术先进、经济合理的原则，本报告将采用基于目标的性能化设计方法的消防设计理念和方法，通过对消防设计方案的分析和评估，使得制定的设计方案能更好地满足项目的消防要求。
3 钢结构防火保护设计方案
根据国内外相关资料提供的钢结构在受火之后的承载能力变化情况，确定钢结构的防火安全性判定准则和判据。同时，采用NFPA92B提供的火灾烟气模型，保守设定火灾规模，计算不同火源面高度的气流温度，从而确定需要涂刷防火涂料的保护时间。
4 消防性能花设计方案评估
4.1 判断依据
火灾对于钢结构性能的影响，主要体现在结构强度和弹性模量的变化上，钢材的结构强度和弹性模量随其温度升高而降低，从而使得构件的抗火承载力发生变化。高温下的钢结构在外荷载作用下，有可能使得钢结构的抗火承载力小于所承受的内力。
满足下列条件之一时，钢结构构件达到抗火承载能力极限状态。
（1）轴心受力构件截面屈服。
（2）受弯构件产生足够的塑性铰而形成可变机构。
（3）构件整体丧失稳定。
（4）构件达到不适于继续承载的变形。
（5）结构产生足够的塑性铰形成可变机构。
（6）结构整体丧失稳定。
针对不同的设计方法，钢结构的抗火设计最终需要满足受力要求、时间要求、温度要求等要求中的一个，即以其中一个作为判定标准。针对本项目航站楼大空间的特点，对钢结构防火安全性分析首先采取温度要求作为判断构件是否失效的判定标准。
根据钢材的强度和弹性模量与温度的变化曲线，当温度升高时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量总体趋势是下降，当温度超过300℃左右时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量开始显著下降。《耐火性能验证法的解说以及计算实例及其解说》将325℃作为钢结构限制指标。钢材性能参数随温度变化如图6，耐火极限实验中钢结构在有防火保护与无防火保护条件下升温情况见图7。
图6 钢材性能参数随温度变化曲线
图7 耐火极限实验中钢结构在有防火保护与无防火保护条件下升温情况
因此，本报告将性能化分析的钢材安全判据的温度指标定为325℃。
4.2 分析模型
下面是NFPA92B和NFPA204中提供的分析模型。
火焰的平均高度可按式（1）计算得出。
L=-1.02D+0.235Q2/5 （1）
式中，L为平均火焰高度，m；D为有效燃烧直径，m；Q为总热释放速率，kW。上式中的有效燃烧直径D由式（2）计算得出.
（2）
式中，D为有效燃烧直径，m；Af为火源的面积，m2。
当平均火焰长度L低于分界面，并且Z位于分界面以下时烟羽流的质量流速可以由式（3）计算。
（3）
式中，mp为羽流的质量流速，kg/s；Qc为对流热释放速率，kW；Z为距离燃烧表面之上的高度，m；L为平均火焰高度，m。
羽流的体积流量可以用式（4）计算。
V=ρ+ρ0T0Cp （4）
式中，V为羽流的体积流量，m3/s；ρ0为环境空气的密度，kg/m3；T0为环境温度，K；Cp为空气的比定压热容，kJ/（kg·K）。
烟羽流的平均温度可根据热力学第一定律得出：
（5）
式中，Tp为高度z处的平均羽流温度，K；T0为环境温度，K；Qc为对流热释放速率（约0.7Q），kW；m为羽流的质量流速，kg/s；Cp为空气的比定压热容，kJ/（kg·K）。
烟羽流的中心温度可用式（6）预测。
（6）
式中，Tcp为高度Z处的羽流中心线绝对温度，K；T0为环境温度，K；g为重力加速度，9.8m/s2；Cp为空气的比定压热容，kJ/（kg·K）；Q为燃烧的热释放速率，kW。
4.3 场景设置
火灾位于二层离港层区域，火源面位于地面，其最大火灾规模为10.0MW，快速火（分析模型采用稳态火），分析采用NFPA92B火灾烟气模型。
4.4 基本参数设置
基本参数设置见表1。
表1 基本输入参数
4.5 火焰高度分析
火焰限制高度分析见表2。
表2 设计火源计算参数
4.6 轴上气流温度分析
取高于火源面6m、7m、8m、9m、10m等位置分别分析轴上气流温度，见表3。
表3 轴上温度计算分析
5 结论
经分析可知，高于火源高度8m位置的烟羽流轴上气流温度为328.0℃，稍高于临界温度判定指标325℃。高于火源高度9m位置的烟羽流轴上气流温度为294.5℃，低于临界温度判定指标325℃，钢结构受到火灾温度影响较小。
结合某机场二期工程航站楼工程消防设计专家评审会形成的意见，最终确定机场二期航站楼工程二层离港层钢结构保护方案如下：
二层地面上方8m范围以内的钢柱应采用耐火时间为3h的防火涂料进行保护。
8m以上范围钢结构保守考虑仍需采用耐火时间为1h的防火涂料进行保护。
参考文献
［1］ GB 50016—2014.
［2］ GB 50084—2001（2005年版）.
［3］ GB 50338—2003.
［4］ 李倩，黄鑫.关于卿大剧院和博物馆性能化防火设计.消防科学与技术，2013，1（31）：31-35.