钢结构火灾倒塌伤亡预防，别忘了那顶“斗笠”

【一句话】

钢柱五三八，结构七百塌

【“一句话作战智慧”原文】

实验表明，钢柱约在538℃、钢梁约593℃时失去完整性，钢结构倒塌通常发生在约700℃。

【专业解读】

厦门的嘉庚式建筑很有特点，西式的主体建筑，加上中式的“双翘燕尾脊” 屋顶，就像“穿西装、戴斗笠”的人。将斗笠看成轻型屋顶，对于研究钢结构建筑在火灾中的倒塌规律，更容易把握住重点。开展这种研究，温度是个重要参考指标，比温度指标更重要的是结构类型及火灾特性。钢结构建筑根据其承重能力和所用钢材的类型，可分为钢框架结构建筑和轻型钢结构建筑两大类。其中，轻型钢结构用料更少、表面积更大，暴露在火灾中更容易倒塌，需要重点关注。

（1）钢结构的常见类型及伤亡案例

①钢框架结构建筑

骨架钢框架（Skeleton steel framing）。结构中的钢梁与钢柱常用螺栓连接或焊接连接，是该类型结构在火灾中最容易失效的部位。在约593℃时，支撑地板的钢梁扭曲下垂。NIST（美国国家标准与技术研究院）钢-混凝土复合楼板系统火灾试验[7.1-1]中，钢梁的两端分别采用单板螺栓和双角夹板（90度折角）螺栓连接方式固定在钢柱上，单板连接处在火灾中连接失效，钢梁一端掉落。燃烧器关闭数小时后，梁冷却向上收缩，双角夹板连接处也断开了。在华侨大学的三层钢框架建筑火灾试验[7.1-2]中，钢梁也有类似表现。钢梁在各种工况下经历900℃以上温度，升温时间120分钟左右，没有丧失承载能力，也没有发生整体破坏。但是冷却后，钢梁连接处出现被拉断的现象。

墙体承重钢框架（Wall bearing steel framing）。梁末端由墙体支撑，承重墙可以是钢筋混凝土墙，也可以是砌体墙。承重墙内侧受火作用发生膨胀，加之上部钢框架受热膨胀，产生向外的推力，可使承重墙及置于其上的圈梁、雨水槽等向外塌落。2010年4月7日，山东聊城某塑胶有限公司预处理车间发生火灾，火灾发生约2.5小时后，车间西部屋顶钢架塌落，外围的两道混凝土圈梁和实体墙接连倒塌，3名消防员被砸中，其中，1名消防员牺牲，2名受伤[7.1-3]。着火的单层工业厂房采用的是轻钢屋架结构，就是那顶“斗笠”。

大跨度钢框架（Long span steel framing）。指跨度≥60米的钢结构，可采用桁架、刚架或拱等平面结构或网架、网壳、悬索结构和索膜结构等空间结构。2013年1月1日，浙江杭州某设备制造企业的二层钢框架结构厂房发生火灾。初到场时厂房北面2间房间有明火冒出，现场烟雾较大。首战消防中队到场时，火势已处于猛烈燃烧阶段。火场风向突然由西南风转为东北风，大量浓烟瞬间充斥整个厂房。倒塌时间为起火后约1小时，二层整体垮塌，3名消防员壮烈牺牲。

②轻型钢结构

指围护系统采用轻型钢屋面和轻型外墙的单层房屋，主要用在不承受大载荷的钢结构建筑。2013年10月11日，北京石景山区某商场发生火灾，倒塌造成2名消防指挥员牺牲。倒塌建筑为地上四层的钢筋混凝土框架结构，局部为钢结构。火灾持续约3个半小时后，四层北侧钢架结构彩钢板建筑发生坍塌。2023 年8月5日，江西赣州某环保设备有限公司厂房发生火灾，倒塌的建筑属于轻型门式钢结构，厂房主体钢结构表面无防火保护涂层，火灾发生约36分钟后，围护墙倒塌，2名消防员牺牲、15名受伤。

（2）钢结构在火灾中的主要表现

①全面发展不内攻。大跨度、大空间钢结构的工业或商业建筑，要特别注意防范火灾发生15~30分钟屋顶系统的突然垮塌，特别是持续集中燃烧的部位。在这个时间段内，轻钢屋架和邻近结构柱垮塌的可能性会陡然升高，不可强攻盲攻[7.1-3]。钢在超过550℃的高温时，会迅速失去强度与刚度，发生变形从而引起结构倒塌。面对火势已从窗户等开口喷出的情况，应考虑轰燃后的火灾已进入全面发展阶段，未受保护的钢正在变弱，结构容易发生整体倒塌。

②仪器监测多使用。实战中，利用仪器测到550℃的临界温度，或测到承重构件发生位移，需考虑倒塌风险。内攻期间应用热成像仪持续监测承重的梁、柱等建筑构件，发现热量异常时，应及时、果断地撤出倒塌危险区。另外，梁等构件会因受热膨胀而移动，但刚性连接又不允许其显著移动，结果导致梁或连接件在加热或冷却中过早失效。

③均匀冷却有条件。NIST（美国国家标准与技术研究院）和华侨大学火灾实验室的火灾试验结果说明，导致结构倒塌的故障，更有可能发生在冷却过程中。钢梁和钢柱的连接处是最薄弱部位，受热下垂的钢梁在冷却时收缩，梁柱的连接处易崩断脱落。在“均匀冷却”时，应避免对已变形的梁柱射水。

（3）钢结构火灾的主要特性

彩钢板墙体和屋顶材料，聚乙烯或聚氨酯泡沫保温材料，这两个特征多次出现在钢结构建筑倒塌的火场。冷库、大型仓储式零售商店、物流企业库房、简易板房等可能用到保温材料的场所发生火灾，接警出动的过程中，“保温材料”这四个字应该成为预判倒塌的促发源。聚乙烯或聚氨酯泡沫保温效果好，燃烧速度快，燃烧热值高，受热后可产生可燃气体，达到一定浓度后与空气预混极易形成爆炸性气体，为回燃、轰燃及烟气爆炸等极端火灾事件的发生提供充足的燃料。

总之，对于具有轻型结构屋顶，特别是“戴斗笠”（桁架结构屋顶支撑系统轻型屋顶）的钢结构建筑，应考虑采取防御攻击模式，当火势已突破屋顶，尤其是没有人员被困或被困人员无生还可能的情况下，必须果断将内攻人员撤出到着火建筑外，落实防御攻击策略。

（“一句话作战智慧”解读-结构防塌篇-第7.1条，校对：Andy、许指导）

【参考文献】

[7.1-1] Bryant R A.,Bundy M F.Steel-Concrete Composite Floor Systems Subject to Fire – Phase 1[R/OL].(2019-12-01).https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2077.

[7.1-2] Wang Y , Dong Y L , Li B ,et al.A fire test on continuous reinforced concrete slabs in a full-scale multi-story steel-framed building[J].Fire safety journal: An international journal devoted to research on fire safety science and engineering, 2013(61-Oct.).

[7.1-3]戴君武,王立成.火灾致塌建筑案例分析及现场救援应对策略[J].消防科学与技术, 2021, 40(12):5.

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