某大型钢质防火卷帘门卷轴与帘板连接处脱落问题研究与对策

王 春，李善宝，刘德成，许玉荣

（078 工程指挥部，海南 文昌 571300）

0 引言

防火卷帘门广泛使用于我国大型商场、厂房等建筑物中，具有防火、隔烟、抑制火灾蔓延、保护人员疏散的特殊功能，是现代高层建筑中不可缺少的防火设施。防火卷帘作为一种应急防火设备，如果不发生火灾，就无法知道产品的质量好坏。而且防火卷帘的检验技术较为专业，很多开发商不懂如何选择。一些企业借此偷工减料或者“偷梁换柱”生产假冒伪劣防火卷帘，且市场监管不到位，现行相关规范不完善、不详细，使得市场上的防火卷帘产品良莠不齐，致使防火卷帘门尤其是大型、重型钢质防火卷帘门在防火防烟、耐久性等方面起不到应有的效果和功能。脱落、卡滞、误降等质量安全问题频发，反而可能造成人员生命财产的损失。

1 脱落质量事件及原因分析

1.1 工程概况

海南省文昌市某高大单层工业厂房，排架结构，建筑面积 14 600 m2，檐高 25 m，2011 年 10 月开工，共有 5 樘甲级钢质防火卷帘门。该防火卷帘门成品加工、现场安装，2013 年 10 月完成安装调试，2014 年 10 月该厂房竣工验收并投入使用。

2019 年 11 月，该厂房内一樘 8 m×9 m 钢质防火卷帘门在做维护保养提升时，门体帘板突然从卷轴上整体脱落（见图 1）。经检查，发现连接帘板散落地面，连接帘板螺栓与螺栓孔反复磨损后孔径变大，发生屈曲变形（见图 2），因维护保养人员操作规范，整个过程中无人员及其它设备损伤。

图1 防火卷帘门帘板脱落

图2 连接帘板螺栓孔处变形

该故障防火卷帘门作为建筑物室内防火分区分隔，耐火极限 3 h，门体由 123 块防火帘板及 1 块座板组成，总重 m=1 500 kg，门体帘板为双层中空结构、内嵌防火岩棉，单层厚 0.8 mm，电动启闭运行速度为 4 m/min，连接帘板为防火门体帘板截取，由 7 个螺栓与卷轴连接。

1.2 钢质防火卷帘门构造

钢质防火卷帘门由帘板、座板、导轨、支座、卷轴、箱体、控制箱、卷门机、限位器、门楣、手动速放开关装置、按钮开关和保险装置等 13 个部分组成，一般安装在不便采用防火墙分隔的部位，多条帘板和座板之间相互嵌套组成卷帘门门体；门体帘板通过连接件固定于卷轴上，卷门机位于卷轴一侧，通过电机链条带动卷轴转动从而实现卷帘的上升或下降（见图 3）。

图3 卷帘门构造示意图

防火卷帘门连接帘板和卷轴固定连接方式常规做法为：截取一段约长 150 mm×宽 90 mm 防火门体复合帘板作为连接帘板，分别使用 M8 螺栓与卷轴固定连接而成（见图 4）。该构造做法由于防火帘板特殊的中空结构（填塞防火棉）造成螺母不能有效压紧，进而在多次重复开闭、长期常闭、抗风压等工艺要求和条件下，防火卷帘门连接帘板与卷轴之间的螺母会发生松动。松动后，卷轴固定螺栓对连接压板孔产生挤压应力而其螺栓孔变大、变形、脱扣乃至失效，进而可能发生防火卷帘门脱（掉）落，对防火卷帘门下通行人员及产品存在安全隐患，更重要的是在发生火灾时容易造成防火卷帘门防火基本功能失效。

图4 卷轴与帘板连接处示意图

1.3 现行相关规范要求

对防火卷帘门设计、生产制造、施工、质量监督、验收和运行使用各方而言，主要依据 GB 50016－2014《建筑设计防火规范（2018 版）》、GB 14102－2005《防火卷帘》和 GB 50877－2014《防火卷帘、防火门、防火窗施工及验收规范》、CNCA－C18－02：2014《强制性产品认证实施规则 火灾防护产品》和 CCCF－HZFH－02《强制性产品认证实施细则 火灾防护产品 建筑耐火构件产品》等相关技术规范组织实施。上述规范对防火卷帘门的构件，如帘板、导轨、座板、卷轴、传动装置、卷门机及控制箱主要从防火功能方面做出了较为详细的规定，但未见对连接件（此次破坏部位）有专门描述和要求，也未对卷轴是否应包覆帘板、包覆多少等做出任何规定和要求。可见，防火卷帘门相关规范重点关注的是防火卷帘门消防功能，其结构构件及受力变形等问题难以成为其关注的重点。

1.4 故障原因定性分析

脱落事件发生后，相关专业人员通过现场查勘，建立故障树，对设计、生产制造、施工、监督管理、验收、使用和维护等环节进行了故障查找和定性分析，认为该防火门脱落主要有以下原因造成。

1.4.1 连接件帘板处长期受力造成疲劳破坏

卷轴与连接帘板固定螺栓数量为 7 个，采用的是经验数值，设计、制造和施工均未进行受力复核，在长期受力作用下，螺栓松动，螺栓和连接帘板之间产生的挤压应力造成连接帘板螺栓孔位置屈曲变形、疲劳破坏。从脱落后与卷轴连接的帘板螺栓孔变形破坏情况，并对比检查了其它几樘未脱落钢质防火卷帘门也存在类似螺栓孔孔径变大现象来看，说明了卷轴螺栓与帘板间连接强度不足是发生脱落事件的主要原因。

1.4.2 帘板在门体完全打开状态下未包覆卷轴

帘板在门体完全打开状态下包覆卷轴是防火卷帘门工程惯例做法，即当卷帘门门体全部落下时，应预留部分帘板缠绕包覆卷轴 1～2 圈。通过卷轴与帘板之间的包覆摩阻力，以减少卷帘门体重量对连接螺栓的拉力。由于现行相关规范对卷轴与帘板连接处并没有包覆的明确而详细规定，该故障卷帘门帘板对卷轴几乎无包覆，未能遵循相关工程惯例做法。

1.4.3 门体帘板发生窜动与导轨发生剐蹭

通过专业人员现场查看，卷帘门体个别帘板在长期运行过程中发生了左右窜动偏移，门体帘板与导轨有明显的剐蹭痕迹，从而导致防火卷帘门在启闭运行过程中产生滑动摩阻力，使卷轴螺栓与连接帘板螺栓孔之间载荷增大，容易产生挤压破坏。

1.4.4 连接螺栓与帘板间无压紧垫片和垫圈

通过现场检查还发现，连接螺栓与帘板间未安装垫片和垫圈。这种不规范的施工安装做法，更易导致防火卷帘门在长期启闭运行过程中螺母发生松动，从而使螺栓与帘板连接处挤压应力不均衡。当挤压变形累积致使连接板螺栓孔直径较大时，一旦有螺栓连接点因螺栓孔直接过大而失效，便会发生多米骨牌效应，其余螺栓连接点也将受力增大而陆续失效，最终使所有连接帘板孔穿过卷轴固定螺母导致门体帘板整体脱落［1］。

2 卷轴与帘板连接处受力分析

针对上述定性分析发现的问题，防火卷帘门卷轴与连接帘板螺栓之间产生的挤压应力是导致连接件破坏、门体脱落的直接原因。通过对提升过程中的正常情况、最优情况和最不利情况，分别对该门体卷轴与连接帘板螺栓之间的挤压应力受力情况进行定量分析。

2.1 正常情况下的受力分析［2］

正常情况下，是指在连接帘板未包覆卷轴时，连接件处所受的剪力主要有门体重量、门体与导轨之间的摩阻力以及提升动量所产生的惯性力等。具体数值如下所述。

1）门体质量 m=1 500 kg，其重量 F1，即 F1=1 500 kg×9.8 N/kg=14.7 kN；

2）门体与导轨之间的摩阻力 F2，不管是静摩阻力还是滑动摩阻力，基本可以忽略不计，但为了保险起见，综合按 50 kg 考虑计算，即 F2=50 kg×9.8 N/kg= 0.49 kN；

3）提升速度产生的最大惯性力 F3，从速度 v0=0提升到防火卷帘门正常运行速度 v1=4 m/min 所需时间 t=1 s，根据动量定理：

4）根据材料力学知识，连接件处受力计算面积A=8 mm×0.8 mm×2=12.8 mm2；

5）连接件与卷轴之间 7 个固定螺栓连接点均匀布置；

6）防火卷帘门帘板为 Q235 材质，其容许应力［σb］=235/1.5=156.6 MPa；

据此，门体提升总力 F=F1+F2+F3=14.7+0.49+0.98=16.17kN，则连接件处所受的剪力 Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＞［σb］，说明该防火卷帘门在正常使用情况下，已不能满足要求。考虑到安全系数等原因，由于卷轴固定螺栓对连接帘板的挤压应力还没有达到帘板的屈服强度，故安装完毕后的一段时间内不能马上看出破坏情况，但在长期使用过程中，产生的挤压应力对连接帘板的挤压破坏逐步累积，最终变形达到一定程度，则导致门体突然完全脱落。

2.2 最优情况下的受力情况

最优情况下，是指增加了帘板对卷轴的包覆（按包覆 1 圈 、弧度为 2π 计 算），在卷轴与包覆帘板之间产生摩阻力［3］，从而减小了卷轴螺栓与连接帘板之间的剪力，其它受力与 2.1 节中正常情况下所受的力相同，具体数值如下：

1）门体总提升力 F=16.17 kN；

2）连接件处受力计算面积 A=12.8 mm2；

3）在卷帘门门体完全落下时，帘板包覆卷轴一圈产生的摩阻力 F4，根据欧拉公式［4］，F4=F1·（eμθ-1）=14.7×（2.7182π×0.1-1）=12.84 kN；

4）连接件与卷轴之间 7 个固定螺栓连接点均匀布置；

5）防火卷帘门帘板容许应力［σb］=156.6 MPa；

据此，门体提升时连接件处所受的力 Fs=F-F4= 16.17-12.84=3.33 kN，则连接件处所受的挤压力Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＜［σb］，很显然，通过帘板包覆一圈卷轴，会产生较大的摩阻力，极大地减少了提升过程中门体对连接处的剪力。如果能包覆一圈以上，其产生的摩阻力将更大，将有效改善卷轴与连接帘板之间的受力情况。

2.3 最不利情况下的受力情况

最不利情况下受力，是指在 2.1 节中正常情况下所受的力之外，还增加了帘板与导轨之间的卡滞而产生的摩阻力，具体数值如下：

1）门体总提升力 F=16.17 kN；

2）帘板与导轨之间的卡滞摩阻力 F5是随着卡滞的恶劣情况而定的，考虑到最坏情况的卡滞摩阻力 F5=μF=0.15×16.17=2.4 kN；

3）连接件与卷轴之间 7 个连接点均匀布置；

4）连接件处受力计算面积 A =12.8 mm2；

5）防火卷帘门帘板容许应力［σb］= 156.6 MPa；

据此，门体提升时连接件处所受的力Fs=F+F5=16.17+2.4=18.57k N，则连接件处所受的挤压力Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＞［σb］，很显然，在该不利情况下，防火卷帘门卷轴与连接帘板之间的受力不能够满足使用要求；且 207.3 MPa 这个应力值已很接近帘板的屈服强度 235 MPa，在长期荷载作用下，如果稍微出现诸如各受力点受力不均衡、螺栓松动、材料质量瑕疵等任何不利情况时，都极易且很快造成连接帘板螺栓孔处挤压变形过大而导致门体脱落等质量问题。

3 改进措施及建议

3.1 积极采取经济合理的技术措施

3.1.1 降低连接件处剪力

1）增加固定螺栓点数量。卷轴与连接帘板固定螺栓数量越多，分摊到每个点的受力就越小，所以说，增加连接处固定螺栓点数量，是最经济、最方便，也是最可行的方法。

2）增加帘板包覆卷轴。通过前文受力分析可以明显看出，增加帘板包覆卷轴，可以大幅降低卷轴与连接帘板的受力。

3.1.2 增大连接处受力面积

1）在连接帘板内嵌入薄钢板。考虑到连接帘板采用防火帘板，双层中空，螺母很难压紧的特殊性，建议在防火连接帘板内嵌入一根 40 mm（宽）×2 mm（厚）不锈钢薄板，按螺栓及垫圈规格辊压成型，通过螺母、弹垫、平垫组合有效紧固连接帘板，从而实现增大连接帘板与螺栓间挤压受力面积的目的。

2）增大连接帘板厚度或采用专用连接帘板。如前所述，由于连接帘板的双层中空特性，且规范要求单层厚度仅为 0.8 mm，建议加厚连接帘板厚度，或者改用较厚的实芯钢板加工制造出专用连接帘板，确保螺栓与连接帘板间的挤压力面积经济合理，具体做法此处不再赘述。

3.2 严格按规范施工及运行维护

3.2.1 螺母垫片和垫圈严格按要求设置

门体脱落问题事件发生后，经现场检查发现所有螺母均无垫片和垫圈，不符合相关施工规范规定要求，可以说对脱落事件的发生起到了“助纣为虐”的催化作用。这个需要在施工过程中，建设、监理和施工单位加强管理、检查，督促工人严格按规范规定施工。

3.2.2 严格按照维护管理规定定期检查

建立有效可行的运行维护管理规定，严格落实定期检查制度，加强专业培训力度，定人定岗，特别是对连接帘板固定螺母是否松动、螺栓孔四周有无发生屈曲变形、门体帘板有无左右窜动、变形而与导轨发生剐蹭等进行针对性检查，是避免再次发生类似脱落事件最直接、最有效的手段。

3.3 修改完善现行相关规范规定

3.3.1 明确固定螺栓点间距

如前所述，增加连接处固定螺栓点数量经济、方便、可行，建议在后续相关规范修改时，增加卷轴与连接帘板固定螺栓点间隔要求。例如，卷轴与连接帘板固定螺栓点间隔 300～500 mm，均匀分布，卷轴与门体的第一片连接帘板要求采用一整块防火卷帘门的帘板或使用专用连接帘板。

3.3.2 增加帘板包覆卷轴

如前所述，帘板包覆卷轴，可以大幅降低卷轴与连接帘板的受力。建议在后续相关规范修改时，将帘板在门体完全打开状态下包覆卷轴 1～2 圈作为强制要求写入规范。

4 结语

近年来，我国国民经济快速发展，人民群众生活水平日益提高，生命财产安全必将更加受到重视和关注，随着建筑市场的逐步发展和完善，工程建设中“小小螺丝钉关系质量安全”的“工匠精神”正得到也必将得到充分宣扬和推广。本文正是基于此，从一起因防火卷帘门连接件处存在的小问题而导致门体脱落故障的质量事件入手，发扬工匠精神，深入研究，从细从实，分别从定性和定量方面，提出防止钢质防火卷帘门帘板脱落的改进方案，并对现行规范提出修改完善建议，从而确保防火卷帘门安全有效地发挥其应有的功能。