机场航站楼钢结构防火保护范围研究

机场航站楼钢结构防火保护范围研究

刘激扬1 黄益良2

（1 公安部消防局 2 公安部天津消防研究所）

摘 要：机场航站楼为大空间建筑，火灾时内部温升曲线与标准温升曲线有较大差别，其钢结构如按规范要求进行防火保护则会造成较大浪费和施工困难。通过对国内外规范及实际工程钢结构防火保护情况进行调研，并通过具体案例的分析和经验公式的计算研究，对机场航程楼钢结构防火保护范围提出了建议。

关键词：航站楼；钢结构；防火保护

Abstract: The airport terminal is a large space building，in the fire, it’s internal time-temperature curves is significantly different with standard time-temperature curves, it will be cost and take trouble to construction if steel structure protected according Prescription code. By investigating the foreign standards and the situation of protection of steel structure in practical projects, and by analyzing with specific cases and empirical equation, the scope of protection of steel structure in airport terminal has been suggested. Key words：airport terminal; steel structure; fire protection

经过几十年的建设和发展，中国机场总量初具规模，机场密度逐渐加大，机场服务能力逐步提高，现代化程度不断增强，截至2010年，我国境内民用航空（颁证）机场共有175个（不含香港、澳门和台湾），2010年我国机场旅客吞吐量56 431.2万人次，比上年增长16.1%。机场作为民用航空运输和城市的重要基础设施、国家及区域综合交通运输体系的重要组成部分，具有广泛的社会和经济效益。

由于对空间的特殊需求，机场航站楼的建筑一般为钢结构建造的大空间建筑，根据《建筑设计防火规范》GB50016-2006的要求，要达到其规定的耐火极限必须采用防火涂料对航站楼的钢结构进行防火保护。但由于机场航站楼的建筑空间一般较大，发生火灾时其内部空间的温升难以达到《建筑设计防火规范》中对构件进行耐火极限进行的温升曲线。如按《建筑设计防火规范》的要求对航站楼所有的钢构件进行防火保护则势必造成巨大的浪费，而且对机场建设的施工带来麻烦。

本文主要针对机场航站楼钢结构防火保护问题进行分析研究，对规范关于钢结构防火保护的规定提出建议。

1 机场航站楼钢结构防火设计现状

1.1 国内外现状

针对机场航站楼此类大空间的钢结构防火设计，国外的相关研究进行较早，但在传统指令性规范中均未针对航站楼等大空间的钢结构防火保护给出明确的规定。英国在1985年将性能化设计方法作为可供选择的防火设计方法，欧洲规范也有详细的结构防火相关规程。此外，美国、澳大利亚、日本、新西兰等国也相继颁布了引入性能化方法的防火规范。

1.2 我国部分机场航站楼钢结构防火保护情况

我国近年来针对机场航站楼的钢结构防火保护也开展了大量的性能化设计工作，在各性能化设计中均针对航站楼的钢结构防火保护方式提出了建议，表1给出了我国部分机场航站楼钢结构防火保护方式。

表1 国内部分机场航站楼钢结构防火保护方式 航站楼名称 钢结构防火保护方式

1）支撑中间楼层的钢柱均采用3.00 h的防火标准； T3/AB航2）建筑的屋顶空间框架和空间桁架无需进行耐火保护；支撑屋顶的钢柱 1.50 h耐火保护可保持结构的稳定性。

T3/C航站8 m的区域钢结构采用耐火时间为1.50 h的超薄型防火

T29 m以下范围内采取刷钢结构防火涂料的防火措施。

8 m以下的钢结构柱应进行防火保护，且其耐火极限不应小 2.50 h；

2.00 h，保护高度不低于8 m1）钢结构支撑柱，距离地面8 m以下范围内做2.00 h耐火保护；

2）钢结构柱位于各区域厨房、功能用房等区域内部的部分，做3.00 h T3航站楼

3）指廊各主桁架构件、餐饮区域顶板区域的钢结构采用1.00 h 1）支撑承重钢柱应予以防火涂层保护，涂层高度为8 m，耐火时间2.00；

2）屋盖钢网架结构包括横梁不需要进行防火保护。

1）航站楼指廊与主楼屋顶的钢结构可不进行防火保护。

2）建筑内周围存在可燃物的钢柱应采取防火保护措施，防火保护高度不

8 m，且其耐火极限不应低于2.00 h。

8 m以下应采取防火保护。

8 m以上区域的屋顶钢结构和结构支撑钢柱可不涂刷防火

8 m的区域钢结构应涂刷防火涂料，可采用耐火时1.50 h的超薄型防火涂料，但是钢结构位于房中房内的部分应按照《建

9 m高处以上的钢桁架（不包括钢结构柱部分）可不必进行防火

从表1可知，目前大部分机场航站楼钢结构的防火保护均在距离地面一定高度以下，防火保护的高度一般在距离地面6.5 m~9 m以下。

2 机场航站楼钢结构防火保护案例分析

本文以某机场扩建工程新航站楼为例对机场航站楼的钢结构防火保护进行分析。

2.1 工程概况

某机场航站楼扩建工程，建筑平面呈“一”型，总长约556 m，主楼面宽约252 m，进深约80 m；指廊进深约47 m，西端伸出主楼150 m。该工程二层以上采用钢结构设计，A 段指廊钢结构采用门式刚架，柱为变截面焊接H 型钢，梁为弧形焊接H 型钢。门式钢架的柱距为10.0 m，弧形H 型钢梁跨度45.0 m；B 、C 段航站楼大厅钢结构采用变截面焊接H 型钢柱、弧形焊接H 型钢梁门式刚架，弧形梁采用张弦形式，柱距10.0 m ，弧形H 型钢梁跨度53.5 m，指廊部分采用弧形H 型钢梁，柱距10.0 m，跨度25 m。

2.2 CFD模拟计算

根据最不利原则设计火灾场景，并采用CFD 软件对钢结构环境温度进行分析计算，得到最不利条件下屋顶钢构件处的火羽流中心轴线的烟气温度随时间变化曲线，见图1～图3。

图1 座椅发生火灾时的屋顶温度曲线

图2 侧跨商铺内发生火灾时屋顶温度曲线

图3 主跨商铺内发生火灾时屋顶温度曲线

相关研究表明当钢材的温度小于300 ℃时，其强度基本不变，而超过300 ℃以后，强度下降较为迅速。为保守计，本文将钢结构的失效温度确定为300 ℃。根据模拟结果，在6 m以上构件温度小于300 ℃，钢材强度未发生折减，从安全角度考虑，建议对8 m高度以下的钢结构柱进行防火保护，耐火极限不应小于2.50 h，8 m以上高度不进行防火保护，以下将通过ANSYS 对结构的力学性能进行模拟研究，以验证该保护是否满足要求。

2.3 钢结构力学性能分析

根据FDS 模拟计算与经验公式计算表明，发生火灾时，着火房间内火源位置上空的屋架温度较高，其他区域温度较低，根据门式钢架的受力特点，本文取受火处一榀门式钢架分析其整体受力性能。

航站楼大厅钢结构采用的门式刚架结构主跨跨度为53.5 m，高13.9 m，侧跨跨度为25 m，高度为8.3 m，钢材型号采用Q345，常温下其强度为295 MPa，弹性模量为206 GPa。结构在火灾下的数值模拟采用有限元软件ANSYS10.0进行，钢材的热膨胀系数根据《建筑钢结构防火技术规范》CECS 200:2006取1.4×10-5 m/(m·℃) ，计算荷载采用设计方提供的恒载0.8 kN/m2，屋面活载0.5 kN/m2。

本文分别计算了火灾发生在主跨和侧跨商铺中时的结构力学行为。

（1）结构变形分析

火灾发生在主跨商铺中时，根据前文温度计算结果，取结构屋面部分的温度为160 ℃，钢结构在该计算温度下结构主跨跨中最大变形为0.086 m，此时的结构的挠度为l/662。参照《钢结构设计规范》GB50017-2003规定的主梁或桁架的容许挠度值为l/400，结构在设定的温度下挠度未超过规定值。

火灾发生在侧跨商铺中时，根据前文温度计算结果，取结构屋面部分的温度为260 ℃，钢结构在该计算温度下结构主跨跨中最大变形为0.081 m，侧跨跨中最大变形为0.023 m。同理可判定结构在设定的温度下挠度未超过规定值。

（2）火灾作用下的强度及稳定性分析

通过对钢结构的应力计算表明，当火灾发生在主跨商铺中时，结构上最大等效应力出现在弧形梁与柱相交处，最大值为183 MPa；当火灾发生在侧跨商铺中时，结构上最大等效应力出现在弧形梁与柱相交处，最大值为200 MPa，均小于钢材强度设计值295 MPa。通过结构的内力计算可以验算构件的稳定性均满足要求。

（3）小结

通过模拟计算，钢柱在6 m以上构件温度小于300 ℃，钢材强度未发生折减，从安全角度考虑，建议对8 m高度以下的钢结构柱进行防火保护，使其耐火极限不应小于2.50 h，8 m以上高度可不进行防火保护。航站楼二层发生火灾时，主跨与侧跨屋顶钢结构构件的最高温度分别为160 ℃和260 ℃，小于设定的极限值300 ℃，且结构最大拉应力和最大压应力均小于钢材设计强度295 Mpa，构件的强度和稳定性满足要求，因此，屋顶钢结构可不进行防火保护。

3 经验公式计算火羽流温度

当火灾发生时，距离地面一定距离以下的结构构件可能直接受到火焰灼烧，因此温度较高有必要进行防火保护，随构件与地面可燃物距离的增大，构件受火焰灼烧的可能性减小，其在火灾中的温度也随之降低，因此当构件距离地面大于一定距离以后，且上部具有一定的空间高度，构件受火灾的影响减小可不进行防火保护。

构件受火灾的影响程度可通过相关公式进行计算，ISO 16734《Fire safety engineering-Requirements governing algebraic equations-Fire plumes》给出了火羽流中心线平均温升计算公式。

平均火焰高度计算公式：

L =0. 235Q −1. 02D (公式1) •2其中：L －平均火焰高度，m ；

D －火源等效直径，m ；

Q －火源热释放速率，kW 。

对于具有一定面积大小的火源，可采用虚拟点火源位置的方法计算火羽流的温度。虚拟点火源可能位于火源上方，也可能位于火源下方，见图4所示。

虚拟点火源的位置可用（公式2）计算：

& (公式2) z v =L −0. 175Q c

其中：z v －虚拟点源的位置，m ；

L －平均火焰高度，m ；

&－对流热释放速率，Q &=αQ &，kW ；通常α取0.6~0.7。

Q c c

图4 火源、虚拟点火源及火羽流示意图

火羽流中心线的平均温升可用公式计算：

−&ΔT 0=25. 0Q c (z −z v ) (公式3)

根据上述公式可计算不同火源功率不同高度下火源上方温度曲线，如图5所示。

温度 (℃) 火源功率 (MW)

图5 不同火源功率不同高度下火源上方温度曲线

从计算结果可以看出，当火源功率约为8 MW时，6 m高度处的温度达到了300 ℃；当火源功率为20 MW时，8 m高度处的温度达到了300 ℃。

对于机场航站楼主要可燃物为座椅、商铺、休闲中心等，火灾危险性主要集中在商铺和休闲中心等功能区，相关研究表明在机场消防队有效控制火灾情况下其火源功率小于20 MW，同时当机场航站楼内商铺或休闲等商业服务设施的规模得到有效控制，航站楼内的火灾规模也将得到有效控制。另外航站楼一般具有较大的空间高度，对于净空高度大于12 m的场所，通常具有足够的蓄烟纳热能力，因此距离地面8 m以上的

结构构件受火灾影响程度较小，其材料强度未受影响，故距离地面8 m以上的构件可不进行防火保护。

4 结论及建议

本文通过调查研究以及计算分析，研究了机场航站楼钢结构的防火保护范围，通过相关实例和计算表明航站楼大空间内，当其净高度大于12.0m 时，距离地面8 m以上部分的钢结构构件不进行防火保护是可行的，另外由于预应力结构对温度变化较敏感，即使是较小的温度变化都有可能导致结构失效，因此建议预应力金属结构构件仍需要进行防火保护。

参考文献

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[10]ISO 16734-2006.Fire safety engineering-Requirements governing algebraic equations-Fire plumes[S].

——本文发表于《消防科学与技术》（2012年第6期）