《1 概述》

1 概述

国家大剧院位于人民大会堂西侧,由3座独立的剧场组成,总建筑面积16.5Xx104m2,其中主体建筑10.5X104m2。为实现大剧院的完整统一,3个剧场由1个跨度为210mx140m巨型钢结构壳形屋顶包裹在内,形成封闭空间,即公共大厅(图1)。壳体钢结构虽然为非燃烧材料,但钢不耐火,温度达400℃时,钢的屈服强度降至室温下的一

《图1》

图1 国家大剧院主体示意图

Fig.1 Structure diagram of national theater

半,温度达到600℃时,钢材的强度和刚度基本丧失。如果钢结构建筑没有防火保护措施,一旦发生火灾,很容易遭到破坏[1]。作者就大剧院公共大厅和剧场如发生火灾时,产生的高温点气对壳体钢结构可能造成的影响进行了研究。

《2 钢结构安全判据》

2 钢结构安全判据

国内外已有的研究表明,钢材的机械性能与温度有关,当温度升高时,钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量的总趋势是降低的,但在150℃以下时变化不大。当湿度在250℃左右时,钥材的届服强度反而有较大提高,但这时的相应伸长率较低、冲击韧性变差;当温度超过300℃时,钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模量开始显著下降,而伸长率开始显著增大,钢材产生徐变;当温度超过400℃时,强度和弹性模量都急剧降低;到500℃左右,其强度下降到常温下的40%一50%,钢材的力学性能,诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降,低于建筑结构所要求的屈服强度[2]。对钢结构抗火承载力极限状态有重要影响的高温钢材参数主要为屈服强度与弹性模量,图2给出了钢材的屈服强度与弹性模量随温度变化的曲线[3]。图2表明250℃时,钢材的屈服强度与弹性模量较常温时降低不多,约降20%,因此在作者的研究中,选取250℃作为钢材的破坏温度,具有较高的安全系数。

《图2》

图2 fvT/fv、ET/E随温度的变化

Fig.2 fvT/fv、ET/E. vs. temperature curves

ET、E一高温和常温下钢材的弹性模量

fvT、fv一高温和常温下钢材的屈服强度

《3 火灾场景设置》

3 火灾场景设置

《3.1 可能的火灾场景》

3.1 可能的火灾场景

国家大剧院壳体下公共大广中地面、墙面等装饰材料均为不燃或难燃材料,公共大厅内火灾荷载很小。由公共大厅内的可燃物导致发生火灾的可能性和规模都很小,因此不考虑公共大厅内本身发生火灾的倩况。国家大剧院壳体内的3座剧场虽然拥有各自的消防安全系统,考虑特殊情况,当建筑发生火灾时,建筑开向公共大厅的门窗开启或破裂的状况下,烟气有可能蔚延到共享空间并对钢结构造成威肤。因此选取可能发生火灾并且相对壳体钢结构比较危险的位置主要有: a. 音乐厅北面首层的商店; b.戏剧场北面首层的酒吧; c.歌剧院顶层的仓库; d. 音乐厅; e. 歌剧院; f. 戏剧院。

《3.2 火灾曲线的设计》

3.2 火灾曲线的设计

参照《民用建筑防排烟技术规程》[4],国家大剧院内的商店和酒吧火灾可按照无喷淋的超市(20MW)来计算暗淋失效的火灾场景,按设有喷淋的商场(5MW)来计算喷淋有效的火灾场景。歌剧院顶层仓库火灾按照无喷淋的仓库(20MW)来计算无喷淋的火灾场景,按照有喷淋的仓库(4MW)来计算有喷淋的火灾场景,3个剧场按照无喷淋的公共场所(8MW)来计算喷淋失效的火灾场景,按照有喷淋的公共场所(2.5MW)来计算有喷淋的火灾场景。各场景的火灾曲线按照快速t2火增长。

《4 火灾模拟计算》

4 火灾模拟计算

国家大剧院公共大厅内采用自然排点,排烟窗口位于壳体顶部,天窗采用感烟探测器开启。作者假定排点天窗开启失效,利用场模拟和经验公式相结合的办法,分别对各火灾场景的烟气运动和温度分布进行了计算。由于未考虑自然排烟的效果,这时的烟气将聚集在公共大厅内,使得计算得到的温度会高于有自然排烟情况下的温度。场模拟采用三维非定常计算,边界条件取绝热固壁,壳体取钢结构,采用带浮力修正的A-e湍流模型,热辐射采用P辐射模型,开口采用压力出口边界条件。经验公式采用NFPA92B[5]推荐的公式进行点气温度计算:

虚点源位置：

\(Z_{0}=0.083 \dot{Q}^{2 / 5}-1.02 D_{f}\)                  (1)

羽流质量流率:

\(\dot{m}=0.071 \dot{Q}_{c}^{1 / 3} Z^{5 / 3}+0.0018 \dot{Q}_{c}\)       (2)

羽流中心温度:

\(T_{c p}=T_{a}+C\left(\frac{T_{a}}{g C_{p p}^{2} \rho_{a}^{2}}\right)^{1 / 3} \frac{\dot{Q}_{c}^{2 / 3}}{\left(Z-Z_{0}\right)^{5 / 3}}\)      (3)

其中\(\dot{Q}\)为火源功率(kW),\(\dot{Q}_{c}\)为火源热释放速率的对流部分,Df为火源等效直径(m),Ta为环境温度(k),g为重力加速度(kg/m3),C为常数约9.1。

《4.1 火灾场景的场模拟》

4.1 火灾场景的场模拟

利用场模拟的方法对火灾场景1(音乐厅北面首层的商店发生20MW火灾),火灾场景3(歌剧院顶层的仓库发生20MW)的烟气运动蔓延进行了计算。火灾场景1的模型结构如图3所示,其中黑色点代表着火位置,模拟结果如图4一8所示。火灾场景1的模型中包括了3个剧场以及公共大

《图3》

图3 火灾场景1结构示意图

Fig.3 Structure diagram of fire scenario1

《图4》

图4 600s时温度分布

Fig.4 Temperature distribution at 600s

《图5》

图5 653s时温度分布

Fig.5 Temperature distribution at 653s

《图6》

图6 800s时温度分布

Fig.6 Temperature distribution at 800s
 

厅,因此计算的区域非常大,这使得计算的耗时很长(半个月)。对于火灾场景3,歌剧院顶层仓库发生火灾,火源上方的壳体钢结构处于最危险的位置。因此,截取局部壳体和建筑物进行火灾计算,

《图7》

图7 1000s时温度分布

Fig.7 Temperature distribution at 1000s

《图8》

图8 1200s时温度分布

Fig.8 Temperature distribution at 1200s

既能节省计算时间又能比较真实的反应危险处的钢结构的温度。火灾场景2模型结构如图9所示,其中黑色圆团代表着火位置,模拟结果如图10一12所示。

从图4一8可以看出火灾场景1(音乐厅北面

《图9》

图9 火灾场景3结构示意图

Fig.9 Structure diagram of fire scenario3

《图10》

图10 400s时温度分布

Fig.10 Temperature distribution at 400s

《图11》

图11 653s时温度分布

Fig.11 Temperature distribution at 653s

《图12 》

图12 1200s时温度分布

Fig.12 Temperature distribution at 1200s

首层的商店发生20MW火灾),火源上方的壳体钢结构在火灾发生后653s左右达到了最高温度61℃,而公共大厅上部烟气层的温度只有39℃,由于公共大厅非常大,直到最大热释放速率过后,上部烟气层才达到一个相对稳定的状态。从图10一12可以看出火灾场景3(歌剧院顶层的仓库发生20MW火灾),火源上方的壳体钢结构在最大热释放速率下经653s左右达到了最高温度117℃,最大热释放速率过后,壳体钢结构的温度逐渐降低。

4.2 火灾场景的经验公式计算利用经验公式对所有的火灾场景中烟气温度进行了计算,其中环境温度取20℃,火源的有效直径按照式4进行计算:

\(D_{f}=\sqrt{\frac{4 \dot{Q}}{\pi q^{\prime \prime}}}\)   （4）

其中:\(\dot{Q}\)为火源功率(kKW),q''为单位面积上热释放速率(kW/m2),对于公共场合和商场等取500kW/m2[6],对于仓库取1000kW/m2[7]。各火灾场景中火源与正上方壳体钢结构践离如表1所示,烟气温度计算结果如表2所示。

《表1》

表1 火源与钢结构距离

Table1 Distance between fire and steel construction

《表2》

表2 各火灾场景烟气温度

Table2 Smoke temperatures in diftferent fire scenarios

从表2可以看出各火灾场景烟气峰值温度相差很大,最高的是火灾场景3水喷淋失效情况下的烟气温度能达到178℃,最低的是火灾场景2水喷淋工作情况下点气温度仅有36℃。经验公式计算的火灾场景1音乐厅北面首层的商店发生20MW火灾时的烟气峰值温度为81℃,场模拟计算的温度为61℃,经验公式计算得到火灾场景3歌剧院顶层的仓库发生20MW火灾时的烟气峰值温度为178℃,场模拟计算的温度为117℃。从场模拟和经验公式计算结果的对比可以知道经验公式计算得到的烟气温度要高于场模拟得到的烟气温度。

《5 结果分析与结论》

5 结果分析与结论

利用场模拟和经验公式的相结合方法对火灾烟气对国家大剧院壳体钢结构的影响进行了研究。场模拟计算的火灾场景1(20MW)和火灾场景3(20MW)的钢结构的温度要比经验公式的计算结果分别为20℃和61℃,这可能因为场模拟计算中考虑了钢结构自身的热传导散热,同时由于壳体自身的弧形形状特点,热空气不会在火源上方钢结构处停留,而会通过对流流向更高的位置,进而凑小了该处的温升。经验公式计算的各刹场火灾场景中,火灾场景5(8MW)的烟气温度最高能达到173℃,低于钢结构的安全温度250℃。事实上火灾场景5(8MW)的烟气温度达不到173℃,因为在经验公式的计算中按照8MW的火源产生的热量计算烟气温度,实际上8MW的火灾发生在歌剧院内,只有部分的烟气通过开口进人公共大厅,因此实际壳体钢结构处的烟气温度要低于经验公式计算得到的温度。

通过对场模拟结果和经验公式计算结果的比较和分析得到了下面的结论:

场模拟的温度要低于经验公式计算得到的烟气温度;

壳体钢结构在作者设计的火灾中所达到的最高温度远低于设定的钢结构的破坏温度250℃,所以国家大剧院发生设计的火灾时所产生的热量不会导致钢结构的破坏;

为了更加有效的保护壳体钢结构,国家大剧院的公共大厅(酒吧、商店等)火灾荷载大小和位置必须严格的控制;

确保公共大厅内3个剧场的消防设施正常工作,从而减小剧场内发生火灾时,其火势对壳体钢结构可能的破坏作用。