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1、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：本文在简单睑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，分析与对比了设计单位与专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方法与结论，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引言批注 I感受:他围只是指建规，是否放宽到一个所谓 的建筑的消防安全体系？如建筑工程安全规范？近年来，国内在新建建筑的设计与旧建筑物的改造过程中，由于现行!建筑工程防火设计规范1存在本身的豆杂性、对安全的经济性因素影响考虑不够与弹性较小等不足
2、，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习惯、对环境条件与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。设计与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，因此设计与建设中首先要保证的是建筑与场所的功能需求，讲求美观有用。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习惯新、奇、特建筑设计的褥要。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定的选择。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、对比设计单位与专业机构对其外筒钢结构的防火性能化设计方
3、法与结论，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，并提出意见与建议，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m,其中主塔体高约450m、天线桅杆l,批注标高?160m。新电视塔+68m层设有功能为登塔大厅的抬高广场,广场的水平高度为6.3In6.7m.“MKlI什么含义？标高为0.0m地面的地下一层位于广场下，其下分别是标高一5.0m与-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
4、过外部的钢斜柱、斜撑、环梁与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、疏散楼梯与机电竖向管井等，核心筒平面尺寸为7ml4m（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含一个钢结构外筒，一个椭圆形混凝土核心筒与连接这两者的钢结构楼面，外部钢架与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与刚度的组合构件。环与斜撑没有填充混凝土。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.小文中仅对塔体起
5、要紧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与论证。批注假日外产钢柱、环桀斜撑等任何一者或者组合失效，有何后果？钢结构的外筒是结构要紧的抗侧力构件，包含三种类型的杆件：立柱、环与斜撑。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逐步减小到顶部的1.2m。斜撑与钢管混凝土柱的连接使用刚性连接形式。外简的环梁共有46组，环梁材料为钢管，环梁截面尺寸均为批注“刚接”为：刚性连接“？焊接？钾接？800mm,使用曲线形式，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与外部筒体柱上，使用H型
6、截面钢。楼面次梁使用轧制型钢。主梁与核心筒与外部简体柱的连接形式，与主梁与次梁的连接形式均使用较接。2.3 外筒钢结构抗火性能验算的理论与方法2.3.1 确立安全目标与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，减轻与避免外筒钢结构在火灾中局部与整体倒塌造成人员伤亡、财产缺失与灭火困难，减少消防费用（基建及维修）与预期火灾缺失。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固.I/对该高度大于Ioom的超高层建筑，我们就整体结构进行麻火I验算。在正常或者在抗火条件下，当钢结构的承战达到极限状态时结构就不能继
7、续承载，甚至被破坏。批注 I假如务必这样表述，该段建议放在文首，作 为引入语。批注 ,抗火”是否还有更合适的术语？如“抵御 高温”、“抵御火灾”等？为达到以上口标，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，帧满足下列条件之一：|批注是否应该注明出处？（1）在规定的结构耐火极限时间内，结构的承载力&不应小于各类作用产生的组合效应Sm,即RaSIn（2）在各类荷载效应组合下，结构的耐火时间酎不应小于规定的结构的耐火极限及，即：（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7,即：7
8、（i7m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通常可用行为设计泡、指定设计法I。在指定设计法中，根据规范制定的Wjfta加注抗火要求，比如半个小时，或者两个小时，就能够很快地代表或者计算得到需要的保护层批注加注的厚度，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，是否同意倒塌等。其余的过程能够是根据计算机软件的计算，也能够使用简单的律法，比如BC3就提供大
9、量的简单兑法，也徒够一批注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能够包含匕现定件计算火与*lI加注烟的传播情况，与所能提供的疏散时间，疏散软件计第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CECS200:2（X）6的有关数据与莫法，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）通常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）：(t)-Ts(O)=345lg(8t+l)式中：TM一对应于I时刻的室内平均空气温度(C)；Ts(O)火灾发生前的室内平均空气温度，取20
10、C：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,2,-Tg(O)=T2l-0.8exp(-t)-0.2exp(-0.1t)+(l-)exp(xb)式中对应于I时刻，与火源中心水平距离为X加八与地面垂直距离为Zm处的空气温度(C)：Tg(O)火灾发生前高大空间内的平均空气温度，取20C；Tz火源中心据地面垂克距离为Z(m)处的最高空气升温(C),按建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006附录D确定：一根据火源功率类型与火灾增长类型确定；b火源中心至火源最外缘的距离(m)；温度衰减系数；系数；根据建筑钢结构防火技术规范CECS200:2006中给出了一
11、些场所的火源功率设计值,按表2/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I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按通常场所取值为250kW,根据Q、=QXA,确定火源面积A为32m2根据Heskestad给出的火焰高度公式：1.=0.2
12、3Q4-1.02DQ总释热速率中由对流部分所占的量D一火焰的等效直径火焰的平均温度T=(Ti1+T*2)2025取纤维质材料Tl内焰温度1273七丁2外焰温度8I3C。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25OkWm:火源面积取32n?时，火焰等效直径为6.38m,火焰高度为1.87m0地板面积为200m2,层高5.05m。火源功率为at2,快速增长类型，火焰平均温度Tf为1112C,黑度取值为0.8。根据大空间建筑空气升温计算式可得大空间场所TgXg=386C0(大约在500S时)2.3.5 钢构件温度计
13、算不管是通常建筑场所内的室内火灾还是高大空间场所火灾场景，外筒钢结构包含钢柱、斜撑、环梁与主梁的室外部分温度计算包含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一致存在差别，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538C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，假如
14、在火灾中钢结构在要求的耐火时间内没有达到538C,就不需额外的防火保护。根据建筑钢结构防火技术规范CECS2(X)2(X)6与高层民用建筑设计防火规范中的规定，要求柱与斜撑的耐火极限3h,梁的耐火极限2h.根据计算的火焰尺寸与钢构件与火焰的相对位置，见图2-4,得出辎射角系数，建立热平衡方程式。钢梁图2-4火灾场景火焰与钢构件的相对位置Y1 + X2辐射角系数计算公式=-(-r-janl兀1+X2式中X=AC,Y=BZCA辐射面高度1/2(m)B一辐射面宽度1/2(m)C辐射面到同意面的距离(m)热平衡方程式QS=VSPSCSXdTs/dQs单位时间内单位长度构件汲取的热量(kWm)Vs单位长
15、度构件的体积(nm)PS-钢的密度，7850kgm3Cs钢的比热，6(X)JkgCdTs一单位时间内钢结构的升温CC)dt单位时间(三)同时又QS=Qgr+Qfr+Qsc-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，Qfr为钢构件向外辐射传热量。Qs=Fx(T4-2934)+(T/+T4)Fx+Fxac(T-293)-F(7;4-2934)火焰与构件之间表面之间的发射率，取O8StephanBoltzmann常数(5.67108Wm2K4)Tf一火焰平均温度（K）Tg一构件表面温度（K）辐射角系数FS单位长度钢构件的外表面积（11
16、2m）OC钢构件表面烟气对流传热系数（取25W/n?K）6钢构件受火焰辅射有效表面系数按照设计火灾场景得到钢构件邻近的烟气温度，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构件最大温度（C）外简钢柱nax300c斜撑Tmax3*C环梁TmaX78C在通常场所内外筒各构件的温升过程见图2-5I一钢柱，H一斜撑，山一环梁图2-5可见不管在大空间场所还是通常场所，外筒各构件在耐火极限时间内的最高温度均小于538,C,在不进行防火保护时能满足耐火极限要求。3 .对专业机构防火性能化设计方案的对比分析3.1 性能化设计方案简介对广州新电视塔钢结构的抗火
17、性能问题，建设方委托同济大学、中国人民武装警察部队学院分别进行了评估，并出具了广州新电视塔铜结构抗火安全的评估报告。两份报告分别使用了美国、瑞典有关机构提供的火灾温度分析模型，从火灾场景入手，正确选取了评估目标，以钢结构的应力计算为关键，比较全面的分析了一些要紧承重构件在火灾下的支撑能力，两份报告参考根据较为充分，评估程序严密，推算过程严谨，防火设计结论基本一致，即外筒的柱、环梁与斜撑在不进行防火保护的情况下能满足耐火安全要求。对比分析两份评估报告，同济大学应用美国的火灾模拟软件FDS,提供了不致火灾连续时间的温度场与温度随时间与高度变化的曲线，基于计算得出/在火灾模拟条件下钢结构极限状态的临
18、界温度不小于规定时间内钢结构所经历的最高温度。中国人民武装警察部队学院从房间的火灾荷载密度，钢材的高温力学性能等方面入手，对不一致高度部位房间的火灾温度，火焰尺寸及与其有关的钢柱、环梁与斜撑的热流强度与温度场，进行了详尽的计律，在此基础上进行了构件系统的抗火稳固性验算，得出外筒钢结构的荷载力满足要求。3.2 性能化设计的差异两个评估报告各以不一致的方式方法脸证火灾条件下钢结构的抗火能力。中国人民武装警察部队学院使用的是在火灾条件下，玻璃幕墙破裂后，验证外筒钢结构的承载能力，但并未时楼层与外筒连接的主梁室外部分抗火性能进行分析，得出部分斜撑在温度应力的作用下存在卷固性问题，同济大学使用的是在火灾
19、条件下，不考虑玻璃幕墙破裂后火焰与构件接触，钢结构极限状态的临界温度大于规定耐火时间内钢结构所经历的最高温度，要求调整主梁截面使!名姻力操纵在D75以内，同时提出了外露钢梁需做金属防护罩的建议。W批注“名义应另”赢行业未语？批注应力是否有单位？4 .消防部门在性能化设计审查中应注意的问题通过比较，我们认为：工程中的性能化防火设计能够在经济性、施工上的可行性、技术上实施的难易等方面为工程师与业主提供很多便利.通过使用多种工具用来进行火灾风险分析，使得工程设计的精确性与可界性大大增加，从而形成一种综合的防火战略，所有的消防设施被组合起来运用，而不是单独设计，能够提供更加节约而有效的防火体系。此外，
20、性能化设计是针对特定情况下的应用，更确切地反映预期火灾对特定设施的作用与影响，其提出的防火计策的净结果是使总的火灾缺失降低。这种建立在对个别被保护结构、过程或者部件的缺失可能取得一致的基础上之上的防火设计方法，从理论上讲，能提供更有效的消防安全保护。性能化设计更多地要求设计者、审查者的自身素养与用以保证设计适当性的质量操纵措施。但当前设计者的素养差别很大，而性能化设计的要求又具有很大的弹性，因此难以根据他们的素养给出正确的评价。比如在上述提到的两份报告中由于算法的偏差，边界条件的设定、基础数据的选用等方面存在不一致，结论与建议也不尽相同。同时，性能化设计分析与设计步骤需要更多的工程时间以便进行
21、分析、计算与准备设计文件；还存在与日常的消防安全管理、建筑物的占用或者使用性质的变更等密切有关的弹性因素：加之国内对此无有关立法，消防等职能部门缺少相应的专业人员进行分析审查，对性能化设计不熟悉、不习惯，增加了消防部门对批准这种设计方案的顾虑。5 .结束语性能化防火分析与设计作为解决大型特殊建筑火灾防治的手段，在我国应用越来越广泛，其设计方法、操作规程、理论根据等引起了有关各部门的重视，个别案例还使用了这种方法。为此我们认为，首先应尊重科学，接纳其思想观点,关于建立在先进火灾科学与安全工程学基础上的性能化消防设计方法，政府与公安消防机构应责无旁贷地积极应用、推广，不能由于要投入更多的精力进行监
22、督，从而产生排斥情绪。其次要尽早完善有关法律与程序，要审慎地确定性能化防火设计的适用范围。同时要遵循严格的设计审核程序，实行全程监控，要求包含设计单位的设计评估，专业机构的安全论证，职能部门的审查论证等多方验证。目前包含广东省在内的消防部门已在这方面作出了初步探索，我们出台了广东省建设工程性能化消防设计与评估实施规定，以规范全省的性能化防火设计、审核的行为。通过一段时间的实践，将培养我省的专门人才.配合国家性能化设计导则倡导下对火灾安全工程学的研究、建立火灾基础数据库、开发有用的消防安全评估模型与方法，制订与导则相配套的技术规范与技术法规，从根本上解决问题。参考文献1 M建筑设计防火规范（GB
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25、houNewTelevision-toweroutsideSteelTube-constructionWANGYifYangHong(FirePreventionandSupervisionDivision.FireCorpsofGuangdongProvince.Guangzhou510640)Abstract:ThistextbasedonthesimplecheckingtorFircproofingperformanceofTheGuangzhouNewTelevision-toweroutsideSteelTube-constructinunderthefiresituation,T
26、extanalyzedandcomparedmethodandconclusionofdesigninstitutesforPerformance-baseedfire-resistingtooutsideSteelTube-construction,FireDepartment,sreviewhavepaiedattentiontoissueinPerformance-baseedfire-resistingdesign.Textgavesomeadvice.Keywords:Steelconstruction:Televisiontower:Perfonnance-baseedfire-resistingdesign:Analysis
