钢柱五三八、结构七百塌，解析钢结构建筑火灾倒塌规律

【一句话】

钢柱五三八，结构七百塌

【一句话作战智慧原文】

测试显示，钢材柱体大约在538度、梁体大约在593度时丧失结构完整性，而钢结构整体垮塌一般出现在大约700度左右。

【专业解读】

厦门的嘉庚式建筑风格独特，主体结构呈现西式风格，而屋顶则采用了中式的“双翘燕尾脊”设计，整体造型仿佛是“身穿西装、头戴斗笠”的人物形象。若将斗笠视为一种轻型屋面结构，那么在探究钢结构建筑在火灾中坍塌的规律时，便能更清晰地聚焦于关键问题。进行此类研究工作时，温度数据虽是重要参考依据，但更为核心的是要分析建筑结构的具体类型以及火灾的具体特征。这类建筑依据其支撑性能和选用的钢材种类，可以分成两种主要类型。第一种是钢框架结构建筑，第二种是轻型钢结构建筑。轻型钢结构建筑使用的材料更少，外表面积更大，在火灾情况下更容易坍塌，因此必须给予特别关注。

（1）钢结构的常见类型及伤亡案例

①钢框架结构建筑

钢结构支撑体系。构件间的梁柱多采用螺栓或焊接方式固定，这些连接点是火灾中结构最先出现问题的环节。当温度达到593摄氏度左右，承托楼面的钢梁会开始变形并向下弯曲。美国国家标准与技术研究院的钢-混凝土复合楼板体系进行了耐火测试，钢梁两端分别通过单板连接件和双角钢件固定在钢柱上，单板连接部位在火场中发生脱离，导致钢梁一侧坠落。数小时后熄火，梁体降温产生回缩，双角钢件连接部位也出现断裂。华侨大学三层钢框架建筑开展火灾实验时，钢梁也显现出相似状况。钢梁在各种条件下承受了九百摄氏度以上的高温，持续加热时间约一百二十分钟，既未失去支撑作用，也未出现整体损毁。不过，待其冷却之后，钢梁的连接部位出现了被扯断的情况（图7.1-1）。两个实验揭示了一个共同点，梁与柱的接合部位最为脆弱，是结构上的薄弱环节，在火灾时受热扭曲变形，一旦迅速降温便容易发生断裂。

图7.1-1  栓接焊接组合的接点部位，焊接部分在温度降低时发生拉断现象，该图片由董毓利教授提供

钢结构墙体支撑体系。横梁靠墙边固定，承重墙材质有钢筋混凝土或砖砌结构。高温下墙体内部会膨胀，同时顶部钢构也会因受热而扩张，二者结合形成向外推的力，导致承重墙连同上面的过梁、排水沟等构件向外坍塌。2010年4月7日，山东省聊城市一家塑料加工企业预处理区域遭遇火情，约两小时半后，该区域西部屋顶的钢结构框架坍塌，紧随其后，厂区外围的两道混凝土环形梁体和实体围墙也相继损毁，导致三名消防人员被掩埋，其中一人不幸遇难，两人受伤。该起火灾涉及的单层工业建筑，其屋面采用的是轻型钢结构支撑系统，也就是人们常说的“草帽”式屋顶构造。

大跨度的钢结构建筑，其跨距超过六十米。这类建筑能够运用多种结构形式，包括平面结构，比如桁架、刚架以及拱形设计，亦或是空间结构，例如网架、网壳、悬索构造和索膜构造。二零一三年一月一日，浙江省杭州市一家设备生产公司的二楼钢结构厂房遭遇火灾。火灾初期，该厂房北部有两间房内出现火光，现场弥漫着浓重的烟雾。首批消防力量抵达现场时，火情已进入高度炽烈期，风向骤然从西南转向东北，致使滚滚浓烟迅速弥漫整个建筑。结构坍塌发生在起火后大约一个小时，其中二层完全损毁，造成三名消防人员英勇献身。

图7.1-2  在火灾中倒塌的钢框架结构厂房

②轻型钢结构

轻型钢结构是单层房屋的一种类型，其外墙和屋面均采用轻型钢材建造，通常用于承重能力要求不高的钢结构建筑。2013年10月11日，北京石景山区有一家商场遭遇火灾，导致建筑物坍塌，造成两名消防指挥员不幸遇难。该商场为地上四层，主体结构为钢筋混凝土框架，部分区域使用钢结构。经过约三个半小时的燃烧，商场四层北面带有钢架的彩钢板部分突然坍塌。2023年8月5日，江西省赣州市一家环保装置制造企业的厂区遭遇火情，部分建筑坍塌，其结构为轻型门式钢架，厂区主体钢结构未涂覆防火材料，大约36分钟后，外围墙体也跟着损毁，导致2名消防人员不幸遇难，另有15人受伤。

（2）钢结构在火灾中的主要表现

整体进步无需强求。对于范围宽广、内部空旷的工业或商业楼宇，须高度警惕火灾引发15至30分钟内屋顶系统的骤然损毁，尤其要关注那些持续猛烈燃烧的区域。在此期间，轻型钢屋架及其周边支撑柱的坍塌风险会急剧增加，切忌蛮干或盲目行动。钢材一旦达到550度以上高温，其韧性与刚性会迅速衰退，导致变形并最终引发整体崩塌。当火焰已从门窗等缝隙中蔓延出来时，要意识到火灾已进入猛烈燃烧阶段，未加防护的钢材会逐渐失去强度，建筑结构容易整体坍塌。

仪器经常用于检测。实际操作时，一旦探测到550℃的关键热度，或者察觉到承力结构出现形变，就需要评估坍塌的可能性。内部进攻阶段，必须不断观察主要的梁、柱等建筑部分，倘若发现温度出现反常，要立刻、坚决地离开可能坍塌的区域。而且，梁等部件会因受热而位移，但刚性连接不允许其大幅度移动，这样一来，梁或连接部件在受热或降温时容易提前损坏。

冷却过程存在特定限制条件。NIST（美国国家标准与技术研究院）与华侨大学火灾实验室的试验数据揭示，结构坍塌问题多出现在冷却环节。钢梁和钢柱的接点最为脆弱，受热后下坠的钢梁冷却时会缩小，导致梁柱接点容易断裂或分离。在实施冷却作业时，不能向已变形的梁柱接点直接喷水。

（3）钢结构火灾的主要特性

钢结构建筑在火灾中坍塌时，常发现使用彩钢板作为墙体和屋顶，同时填充聚乙烯或聚氨酯泡沫作为隔热层。冷库、大型仓储超市、物流仓库以及临时搭建的板房等场所，也可能应用这类保温材料。接到报警前往处置时，必须将“隔热材料”视为判断建筑可能坍塌的重要依据。聚乙烯和聚氨酯泡沫隔热性能优越，极易燃烧，燃烧时释放大量热量，受热时会分解出易燃物质，当这些物质在空气中达到一定比例时，与空气混合极易引发爆炸性混合物，从而为回燃、爆燃以及烟气爆炸等剧烈火灾现象提供充足的可燃物来源。

对于轻型结构屋顶，尤其是“戴斗笠”式桁架结构屋顶支撑系统轻型屋顶的钢结构建筑，应当采取防御性攻击方式，当火势已经突破屋顶，并且没有人员被困或者被困人员没有生还可能时，必须迅速将内攻人员撤离到着火建筑外部，执行防御性攻击方案。

战略战术策略深度剖析-体系稳固篇-第七点第一小节，审核：安迪、许顾问