某公司生产厂房火灾鉴定及安全对策措施

李广东 褚福涛

1 工程概况

某公司生产厂房为高、低跨相邻的单层轻钢结构,总建筑面积约为4 230 m2,低跨部分为双跨刚架,跨度为24 m,柱间距为6.0 m;高跨部分不考虑夹层为双跨刚架,跨度分别为4.0 m和21 m,柱间距为 6.0 m;主框架梁、柱构件采用 Q345B,所有构件的连接板及柱底板均采用Q345B,次要构件采用Q235B;厂房采用10.9级高强度螺栓连接分段加工的钢框架;钢柱的耐火极限为2.5 h,屋面钢梁的耐火极限为1.5 h;屋盖系统为轻钢屋面,钢梁采用的是变截面H型钢,钢柱采用的是H型钢;屋面、四周围护墙体为彩钢板。檩条采用的是卷边Z形冷弯薄壁型钢,墙梁采用的是卷边槽形冷弯薄壁型钢。

2009年4月20日2时50分,该生产厂房发生火灾,生产厂房的过火面积较大,部分钢构件产生较为严重的损伤变形。为了使生产厂房的修复工作找到科学依据以及尽快恢复生产,对该生产厂房火灾后的受损程度以及安全对策措施进行鉴定。

2 现场咨询与损伤检查

2.1 火灾介绍

根据有关部门给出的火灾原因认定书,2009年4月20日2时50分,生产厂房发生火灾,火灾烧毁部分原材料及厂房屋顶、PLC控制系统、悬臂吊、两台叉车和辅助设备等,火灾过火面积2 000 m2。

据相关人员介绍,起火点位于高跨区。生产厂房的主要燃烧物是屋面、墙面的保温棉;燃烧持续时间不足 2 h,大约1.5 h;南侧高炉部分即高跨区采用干粉灭火,北侧即低跨区采用水灭火。

2.2 现场损伤检查

2.2.1 屋盖系统

屋面由彩钢板、保温棉和檩条组成。由于保温棉为主要燃烧物,因此,整个生产厂房屋盖系统中的构件由于受到火灾高温作用或相邻受损构件变形产生的附加内力影响,多数构件受到不同程度的损伤。屋面钢梁的主要损伤情况体现在以下几种类型:1)外表的防火涂料因火灾影响变成黑色,甚至灰白色,或者黑白相间;2)钢梁发生平面外的倾斜、弯扭和侧移;3)钢梁的腹板发生轻度翘曲变形,外表不平整;4)钢梁的翼缘局部发生翘曲变形;5)钢梁两侧的隅撑部分出现脱落。

2.2.2 钢柱

钢柱由于受到火灾高温作用或相邻受损构件变形产生的附加内力影响,其主要损伤情况体现在以下几种类型:1)外表的防火涂料因火灾影响变成黑色,甚至灰白色,或者黑白相间;2)钢柱发生平面外的倾斜;3)钢柱的腹板发生轻度翘曲变形,外表不平整;4)钢柱的翼缘局部发生翘曲。除了上述情况之外,柱间支撑也因高温作用受到不同程度的影响。

2.2.3 围护墙体

围护墙体由彩钢板、保温棉和墙梁组成。由于保温棉为主要燃烧物,因此整个围护墙体的受火灼烧程度较为严重。

低跨区的东、西面和北面围护外墙的彩钢板因高温作用,多处呈现红褐色;南面与高跨区之间的隔墙彩钢板同样存在多处高温作用后的红褐色状。高跨区的吊车梁以上墙面彩钢板呈现不同程度的高温作用损伤,其以下的墙面基本保持完好。

2.2.4 基础

因现场的特殊情况,未对基础进行开挖检查。根据现场的查看情况,钢柱根部与地坪接触基本完好,没有发现基础有异常的损伤迹象。

3 火灾后受损程度分析评价

3.1 构件环境温度的判定

为了对生产厂房构件的火灾受损程度进行科学的评判,必须明确火灾时的温度范围。按照公式推算,火灾当时的最高温度在834℃～937℃范围内。根据现场部分钢构件受高温作用的变形情况,火灾时的最高温度应略高于750℃。此外,考虑到部分檩条隆起缩短的损伤变形特征,结合结构钢的“相变”现象(Phase Transformation),当时最高温度达到800℃左右。综合上述分析,生产厂房火灾现场的最高环境温度可推断在800℃～900℃左右。鉴于屋面采光板的热变形温度在200℃左右,以及采光板的损伤变形,可以判断过火面积内结构构件周围的环境温度处于200℃左右和最高温度之间。

3.2 钢结构的耐火特性

钢结构的耐火性能较差,当温度为500℃时,钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半;温度达到600℃时,钢材将丧失大部分强度和刚度。因此,进行钢结构设计时,钢构件外表增加防火涂料是非常必要的,可以延长钢构件的耐火极限[1]。一般防火涂料遇火后自身会发泡膨胀,形成比原涂料层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层,可阻挡外部热源对基材的传热。在有防火涂料的有效保护作用下,根据现有的研究资料,当钢构件的周围环境温度在885℃时,钢构件内部的温度一般在500℃以下。

3.3 火灾后材料的残余力学性能

3.3.1 温度的影响

根据结构钢高温后的力学性能试验研究成果,其屈服强度与常温下的屈服强度、温度之间的关系式如下所示:

其中,fyT为高温冷却后的钢材屈服强度;fy为常温下钢材屈服强度;T为钢材经历的最高温度。当钢材经受400℃高温后,材料的屈服强度基本不变;当温度达到750℃后,材料的屈服强度下降到原来的87%;当温度达到1 000℃后,仅为原来的42%。至于弹性模量,当钢材经历200℃～1 000℃高温后,其值与常温下基本保持一致。

3.3.2 灭火方式

1)钢材高温自然冷却。根据现有的研究资料,钢材经历高温600℃以内,自然冷却的钢材与常温下的钢材有同样的颈缩现象,弹性模量基本相同;屈服强度在400℃以内不变;在400℃～600℃范围内稍有降低。2)钢材高温浇水冷却。根据现有的研究资料,钢材受火浇水冷却后,屈服强度在不大于380℃时不变,在380℃～600℃范围内按下式变化:f′yT=fy(1.011-2.9×10-4T′)。其中,f′yT为浇水冷却后的钢材屈服强度;fy为常温下钢材屈服强度;T′为钢材经历的最高温度。经历的最高温度为600℃时,屈服强度降低约16.3%。

4 总体评价及安全对策措施

4.1 鉴定结论

1)钢梁的损伤程度一般,少数钢梁存在安全隐患。2)少数钢柱的翼缘和腹板存在翘曲变形,多数钢柱外观未见翘曲变形,部分钢柱出现平面外的侧向倾斜。总体而言,柱间支撑的损伤程度轻微,少数钢柱存在安全隐患。3)围护墙体(高跨区上部)保温棉、墙梁和彩钢板发生不同程度的变形,影响其功能使用,受损程度严重。4)基础由于受到高温的直接和间接作用都很小,因此基本保持完好。5)防火涂料变色即失去本色的部位,表明其受到不同程度的破坏,对应位置的防锈漆也遭到一定程度的损伤。

4.2 安全对策措施

1)屋盖系统中的彩钢板、保温棉、檩条、刚性系杆、水平支撑、拉条和采光板全部进行替换;隅撑的角钢可以继续使用,替换连接螺栓;钢梁变形严重的直接进行替换,有轻微变形的梁应进行校正,校正有难度的宜进行替换;其余没有变形的梁可继续投入使用。2)对于倾斜率大于0.25%的钢柱应进行替换;倾斜率小于0.1%的柱可以继续投入使用;其余有变形的柱应进行校正,校正有难度的宜进行替换,柱间支撑有局部翘曲变形的进行校正。3)围护墙体中的彩钢板、保温棉、墙梁以及门窗等全部进行替换。4)基础可以不进行处理。5)钢结构构件外表的防火涂料变色即失去本色的部位,应对其防锈漆和防火涂料按原设计要求进行重新涂刷。

5 结语

该公司按照本次的鉴定情况和给出的对策及时对该工程进行了处理,排除了安全隐患,及时地恢复了生产,避免了更大的损失,目前该厂房已正常使用。

[1]袁海军,姜 红.建筑结构检测鉴定与加固手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]中国工程建设标准化协会.火灾后建筑结构鉴定标准(送审稿)[Z].

[3]王永丰.浅谈滨海电厂钢结构的防腐和防火[J].山西建筑,2009,35(31):63-64.

[4]陈淑娟.某坍塌火灾检测鉴定[J].福建建设科技,2005(5):71-72.

[5]张文滨,姜 凯.某厂房框架结构火灾鉴定与加固[J].西部探矿工程,2002(1):34-35.