第8期 牟在根等：青岛北站大跨钢结构抗火性能研究 ·973· 19.5m 600 500 20.5m 21.5m 500 n锅n 400 22.5m 23.5m 300 24.5m 400 25.5m 200 26.5m 15m 28.5m 100 29.5m 30.5m 200 315m 32.5m 100 020040060080010001200 时间/s 0 200400600800100012001400 图5火源中心上方烟气温度随高度变化曲线 时间s Fig.5 Smoke temperature changes with height above the fire center 图6火源上方3m处温度时间曲线图 火源等效直径： Fig.6 Temperature-time curves at 3 m above the fire center 40 4×6000 D= VT×500 =3.91m. 角撑形式，V型撑为轴心受力构件，采用预应力钢结 构形式一由中心杆件和外设的三根拉索组成，构 等效火焰高度： 件的稳定性依靠外设的拉索保证. L=0.23Q2s-1.02D= 火灾下结构反应分析用midas软件进行，模型 (0.23×60002s-1.02×3.91)=3.5m. 中梁单元选用的钢材均为Q345C,弹性模量为1.6× 式中：Q为火源热释放量，kW,这里为商铺火灾故取 10"Nm-2,泊松比0.3，线膨胀系数1.2×10-5，容 6MW;g为单位表面积上传递的热量，kW·m2,g= 重7.698×104Nm-3.对屋盖威胁最大的火灾是高 9.+9。,9为单位时间内热辐射向构件单位表面积上 架餐饮火灾，其地面距离屋脊下端钢最近，为最不利 传递的热量，9为单位时间热对流向构件单位表面 场景.根据上述FDS模拟分析，对餐饮区火灾上方 积上传递的热量，这里火源有效面积为12m?,故q= 的钢结构进行加温，加温160℃（如图8所示），同时 500kWm-2. 对钢结构整个升温过程进行受力分析得到钢构件在 空气与构件间的热传递包括两部分：热辐射和 不同温度下的应力值.选取离火源最近的部分单元 热对流回.假设极端最不利情况，即火源就在柱附 绘制钢构件应力温度曲线图，钢构件应力温度曲线 近，保守考虑钢柱被火焰和烟气完全包围且钢柱周 及餐饮区上方钢结构单元在所有荷载组合下组合应 围气体温度为无钢柱时羽流中央温度，羽流中央温 力比如图9和图10所示. 度最高为火焰等效高度处.结合图6中火灾模拟的 屋脊纵梁 温度在材料完全燃烧之后达到一定值之后趋于稳 横粱 定，故这里取最高温度进行最不利分析，考虑结构在 火灾中最高温度下的变形和受力.如果最高温度下 结构变形和受力满足要求，则认为不需要进行防火 抗风索 承重索 保护.因此在等效火焰高度位置，对钢柱加温 V型撑 拱 500℃. 图7立体拱架三维示意图 3火灾下结构受力分析 Fig.7 Three-dimensional schematic of the stereo arch 3.1屋盖受力分析 青岛北站属于大跨空间结构，由十榀立体拱架 组成，拱架的跨度为94~141m,屋盖结构平面尺寸 为213m×341m.每榀立体拱架包括一榀拱、两根 横梁、六对V型撑、16根交叉索以及两根横梁间的 图8餐饮区加温区域 纵向檩条（图7）.立体拱架之间除檩条、屋面交叉 Fig.8 Heating area at the dining region 撑等联系外，在拱顶还设置了截面为3.8m×5m的 三角形截面屋脊纵梁.在横轨方向，V形撑组成三 从图9可看出：钢结构单元应力随着温度的升第 8 期 牟在根等: 青岛北站大跨钢结构抗火性能研究 图 5 火源中心上方烟气温度随高度变化曲线 Fig． 5 Smoke temperature changes with height above the fire center 火源等效直径: D = 4Q 槡πq = 4 × 6 000 槡π × 500 = 3. 91 m． 等效火焰高度: Lf = 0. 23Q2 /5 － 1. 02D = ( 0. 23 × 6 0002 /5 － 1. 02 × 3. 91) = 3. 5 m． 式中: Q 为火源热释放量，kW，这里为商铺火灾故取 6 MW; q 为单位表面积上传递的热量，kW·m － 2 ，q = qr + qc，qr为单位时间内热辐射向构件单位表面积上 传递的热量，qc为单位时间热对流向构件单位表面 积上传递的热量，这里火源有效面积为 12 m2 ，故q = 500 kW·m － 2 ． 空气与构件间的热传递包括两部分: 热辐射和 热对流［2］． 假设极端最不利情况，即火源就在柱附 近，保守考虑钢柱被火焰和烟气完全包围且钢柱周 围气体温度为无钢柱时羽流中央温度，羽流中央温 度最高为火焰等效高度处． 结合图 6 中火灾模拟的 温度在材料完全燃烧之后达到一定值之后趋于稳 定，故这里取最高温度进行最不利分析，考虑结构在 火灾中最高温度下的变形和受力． 如果最高温度下 结构变形和受力满足要求，则认为不需要进行防火 保护． 因此在等效火焰高度位置，对 钢 柱 加 温 500 ℃ ． 3 火灾下结构受力分析 3. 1 屋盖受力分析 青岛北站属于大跨空间结构，由十榀立体拱架 组成，拱架的跨度为 94 ～ 141 m，屋盖结构平面尺寸 为 213 m × 341 m． 每榀立体拱架包括一榀拱、两根 横梁、六对Ⅴ型撑、16 根交叉索以及两根横梁间的 纵向檩条( 图 7) ． 立体拱架之间除檩条、屋面交叉 撑等联系外，在拱顶还设置了截面为 3. 8 m × 5 m 的 三角形截面屋脊纵梁． 在横轨方向，Ⅴ形撑组成三 图 6 火源上方 3 m 处温度时间曲线图 Fig． 6 Temperature-time curves at 3 m above the fire center 角撑形式，Ⅴ型撑为轴心受力构件，采用预应力钢结 构形式———由中心杆件和外设的三根拉索组成，构 件的稳定性依靠外设的拉索保证． 火灾下结构反应分析用 midas 软件进行，模型 中梁单元选用的钢材均为 Q345C，弹性模量为1. 6 × 1011 N·m － 2 ，泊松比 0. 3，线膨胀系数 1. 2 × 10 － 5 ，容 重 7. 698 × 104 N·m － 3 ． 对屋盖威胁最大的火灾是高 架餐饮火灾，其地面距离屋脊下端钢最近，为最不利 场景． 根据上述 FDS 模拟分析，对餐饮区火灾上方 的钢结构进行加温，加温 160 ℃ ( 如图 8 所示) ，同时 对钢结构整个升温过程进行受力分析得到钢构件在 不同温度下的应力值． 选取离火源最近的部分单元 绘制钢构件应力温度曲线图，钢构件应力温度曲线 及餐饮区上方钢结构单元在所有荷载组合下组合应 力比如图 9 和图 10 所示． 图 7 立体拱架三维示意图 Fig． 7 Three-dimensional schematic of the stereo arch 图 8 餐饮区加温区域 Fig． 8 Heating area at the dining region 从图 9 可看出: 钢结构单元应力随着温度的升 ·973·