某大型鋼質防火卷簾門卷軸與簾板連接處脫落問題研究與對策

王 春，李善寶，劉德成，許玉榮

（078 工程指揮部，海南 文昌 571300）

0 引言

防火卷簾門廣泛使用于我國大型商場、廠房等建筑物中，具有防火、隔煙、抑制火災蔓延、保護人員疏散的特殊功能，是現(xiàn)代高層建筑中不可缺少的防火設施。防火卷簾作為一種應急防火設備，如果不發(fā)生火災，就無法知道產(chǎn)品的質量好壞。而且防火卷簾的檢驗技術較為專業(yè)，很多開發(fā)商不懂如何選擇。一些企業(yè)借此偷工減料或者“偷梁換柱”生產(chǎn)假冒偽劣防火卷簾，且市場監(jiān)管不到位，現(xiàn)行相關規(guī)范不完善、不詳細，使得市場上的防火卷簾產(chǎn)品良莠不齊，致使防火卷簾門尤其是大型、重型鋼質防火卷簾門在防火防煙、耐久性等方面起不到應有的效果和功能。脫落、卡滯、誤降等質量安全問題頻發(fā)，反而可能造成人員生命財產(chǎn)的損失。

1 脫落質量事件及原因分析

1.1 工程概況

海南省文昌市某高大單層工業(yè)廠房，排架結構，建筑面積 14 600 m2，檐高 25 m，2011 年 10 月開工，共有 5 樘甲級鋼質防火卷簾門。該防火卷簾門成品加工、現(xiàn)場安裝，2013 年 10 月完成安裝調(diào)試，2014 年 10 月該廠房竣工驗收并投入使用。

2019 年 11 月，該廠房內(nèi)一樘 8 m×9 m 鋼質防火卷簾門在做維護保養(yǎng)提升時，門體簾板突然從卷軸上整體脫落（見圖 1）。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)連接簾板散落地面，連接簾板螺栓與螺栓孔反復磨損后孔徑變大，發(fā)生屈曲變形（見圖 2），因維護保養(yǎng)人員操作規(guī)范，整個過程中無人員及其它設備損傷。

圖1 防火卷簾門簾板脫落

圖2 連接簾板螺栓孔處變形

該故障防火卷簾門作為建筑物室內(nèi)防火分區(qū)分隔，耐火極限 3 h，門體由 123 塊防火簾板及 1 塊座板組成，總重 m=1 500 kg，門體簾板為雙層中空結構、內(nèi)嵌防火巖棉，單層厚 0.8 mm，電動啟閉運行速度為 4 m/min，連接簾板為防火門體簾板截取，由 7 個螺栓與卷軸連接。

1.2 鋼質防火卷簾門構造

鋼質防火卷簾門由簾板、座板、導軌、支座、卷軸、箱體、控制箱、卷門機、限位器、門楣、手動速放開關裝置、按鈕開關和保險裝置等 13 個部分組成，一般安裝在不便采用防火墻分隔的部位，多條簾板和座板之間相互嵌套組成卷簾門門體；門體簾板通過連接件固定于卷軸上，卷門機位于卷軸一側，通過電機鏈條帶動卷軸轉動從而實現(xiàn)卷簾的上升或下降（見圖 3）。

圖3 卷簾門構造示意圖

防火卷簾門連接簾板和卷軸固定連接方式常規(guī)做法為：截取一段約長 150 mm×寬 90 mm 防火門體復合簾板作為連接簾板，分別使用 M8 螺栓與卷軸固定連接而成（見圖 4）。該構造做法由于防火簾板特殊的中空結構（填塞防火棉）造成螺母不能有效壓緊，進而在多次重復開閉、長期常閉、抗風壓等工藝要求和條件下，防火卷簾門連接簾板與卷軸之間的螺母會發(fā)生松動。松動后，卷軸固定螺栓對連接壓板孔產(chǎn)生擠壓應力而其螺栓孔變大、變形、脫扣乃至失效，進而可能發(fā)生防火卷簾門脫（掉）落，對防火卷簾門下通行人員及產(chǎn)品存在安全隱患，更重要的是在發(fā)生火災時容易造成防火卷簾門防火基本功能失效。

圖4 卷軸與簾板連接處示意圖

1.3 現(xiàn)行相關規(guī)范要求

對防火卷簾門設計、生產(chǎn)制造、施工、質量監(jiān)督、驗收和運行使用各方而言，主要依據(jù) GB 50016－2014《建筑設計防火規(guī)范（2018 版）》、GB 14102－2005《防火卷簾》和 GB 50877－2014《防火卷簾、防火門、防火窗施工及驗收規(guī)范》、CNCA－C18－02：2014《強制性產(chǎn)品認證實施規(guī)則 火災防護產(chǎn)品》和 CCCF－HZFH－02《強制性產(chǎn)品認證實施細則 火災防護產(chǎn)品 建筑耐火構件產(chǎn)品》等相關技術規(guī)范組織實施。上述規(guī)范對防火卷簾門的構件，如簾板、導軌、座板、卷軸、傳動裝置、卷門機及控制箱主要從防火功能方面做出了較為詳細的規(guī)定，但未見對連接件（此次破壞部位）有專門描述和要求，也未對卷軸是否應包覆簾板、包覆多少等做出任何規(guī)定和要求?？梢姡阑鹁砗熼T相關規(guī)范重點關注的是防火卷簾門消防功能，其結構構件及受力變形等問題難以成為其關注的重點。

1.4 故障原因定性分析

脫落事件發(fā)生后，相關專業(yè)人員通過現(xiàn)場查勘，建立故障樹，對設計、生產(chǎn)制造、施工、監(jiān)督管理、驗收、使用和維護等環(huán)節(jié)進行了故障查找和定性分析，認為該防火門脫落主要有以下原因造成。

1.4.1 連接件簾板處長期受力造成疲勞破壞

卷軸與連接簾板固定螺栓數(shù)量為 7 個，采用的是經(jīng)驗數(shù)值，設計、制造和施工均未進行受力復核，在長期受力作用下，螺栓松動，螺栓和連接簾板之間產(chǎn)生的擠壓應力造成連接簾板螺栓孔位置屈曲變形、疲勞破壞。從脫落后與卷軸連接的簾板螺栓孔變形破壞情況，并對比檢查了其它幾樘未脫落鋼質防火卷簾門也存在類似螺栓孔孔徑變大現(xiàn)象來看，說明了卷軸螺栓與簾板間連接強度不足是發(fā)生脫落事件的主要原因。

1.4.2 簾板在門體完全打開狀態(tài)下未包覆卷軸

簾板在門體完全打開狀態(tài)下包覆卷軸是防火卷簾門工程慣例做法，即當卷簾門門體全部落下時，應預留部分簾板纏繞包覆卷軸 1～2 圈。通過卷軸與簾板之間的包覆摩阻力，以減少卷簾門體重量對連接螺栓的拉力。由于現(xiàn)行相關規(guī)范對卷軸與簾板連接處并沒有包覆的明確而詳細規(guī)定，該故障卷簾門簾板對卷軸幾乎無包覆，未能遵循相關工程慣例做法。

1.4.3 門體簾板發(fā)生竄動與導軌發(fā)生剮蹭

通過專業(yè)人員現(xiàn)場查看，卷簾門體個別簾板在長期運行過程中發(fā)生了左右竄動偏移，門體簾板與導軌有明顯的剮蹭痕跡，從而導致防火卷簾門在啟閉運行過程中產(chǎn)生滑動摩阻力，使卷軸螺栓與連接簾板螺栓孔之間載荷增大，容易產(chǎn)生擠壓破壞。

1.4.4 連接螺栓與簾板間無壓緊墊片和墊圈

通過現(xiàn)場檢查還發(fā)現(xiàn)，連接螺栓與簾板間未安裝墊片和墊圈。這種不規(guī)范的施工安裝做法，更易導致防火卷簾門在長期啟閉運行過程中螺母發(fā)生松動，從而使螺栓與簾板連接處擠壓應力不均衡。當擠壓變形累積致使連接板螺栓孔直徑較大時，一旦有螺栓連接點因螺栓孔直接過大而失效，便會發(fā)生多米骨牌效應，其余螺栓連接點也將受力增大而陸續(xù)失效，最終使所有連接簾板孔穿過卷軸固定螺母導致門體簾板整體脫落［1］。

2 卷軸與簾板連接處受力分析

針對上述定性分析發(fā)現(xiàn)的問題，防火卷簾門卷軸與連接簾板螺栓之間產(chǎn)生的擠壓應力是導致連接件破壞、門體脫落的直接原因。通過對提升過程中的正常情況、最優(yōu)情況和最不利情況，分別對該門體卷軸與連接簾板螺栓之間的擠壓應力受力情況進行定量分析。

2.1 正常情況下的受力分析［2］

正常情況下，是指在連接簾板未包覆卷軸時，連接件處所受的剪力主要有門體重量、門體與導軌之間的摩阻力以及提升動量所產(chǎn)生的慣性力等。具體數(shù)值如下所述。

1）門體質量 m=1 500 kg，其重量 F1，即 F1=1 500 kg×9.8 N/kg=14.7 kN；

2）門體與導軌之間的摩阻力 F2，不管是靜摩阻力還是滑動摩阻力，基本可以忽略不計，但為了保險起見，綜合按 50 kg 考慮計算，即 F2=50 kg×9.8 N/kg= 0.49 kN；

3）提升速度產(chǎn)生的最大慣性力 F3，從速度 v0=0提升到防火卷簾門正常運行速度 v1=4 m/min 所需時間 t=1 s，根據(jù)動量定理：

4）根據(jù)材料力學知識，連接件處受力計算面積A=8 mm×0.8 mm×2=12.8 mm2；

5）連接件與卷軸之間 7 個固定螺栓連接點均勻布置；

6）防火卷簾門簾板為 Q235 材質，其容許應力［σb］=235/1.5=156.6 MPa；

據(jù)此，門體提升總力 F=F1+F2+F3=14.7+0.49+0.98=16.17kN，則連接件處所受的剪力 Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＞［σb］，說明該防火卷簾門在正常使用情況下，已不能滿足要求。考慮到安全系數(shù)等原因，由于卷軸固定螺栓對連接簾板的擠壓應力還沒有達到簾板的屈服強度，故安裝完畢后的一段時間內(nèi)不能馬上看出破壞情況，但在長期使用過程中，產(chǎn)生的擠壓應力對連接簾板的擠壓破壞逐步累積，最終變形達到一定程度，則導致門體突然完全脫落。

2.2 最優(yōu)情況下的受力情況

最優(yōu)情況下，是指增加了簾板對卷軸的包覆（按包覆 1 圈 、弧度為 2π 計 算），在卷軸與包覆簾板之間產(chǎn)生摩阻力［3］，從而減小了卷軸螺栓與連接簾板之間的剪力，其它受力與 2.1 節(jié)中正常情況下所受的力相同，具體數(shù)值如下：

1）門體總提升力 F=16.17 kN；

2）連接件處受力計算面積 A=12.8 mm2；

3）在卷簾門門體完全落下時，簾板包覆卷軸一圈產(chǎn)生的摩阻力 F4，根據(jù)歐拉公式［4］，F(xiàn)4=F1·（eμθ-1）=14.7×（2.7182π×0.1-1）=12.84 kN；

4）連接件與卷軸之間 7 個固定螺栓連接點均勻布置；

5）防火卷簾門簾板容許應力［σb］=156.6 MPa；

據(jù)此，門體提升時連接件處所受的力 Fs=F-F4= 16.17-12.84=3.33 kN，則連接件處所受的擠壓力Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＜［σb］，很顯然，通過簾板包覆一圈卷軸，會產(chǎn)生較大的摩阻力，極大地減少了提升過程中門體對連接處的剪力。如果能包覆一圈以上，其產(chǎn)生的摩阻力將更大，將有效改善卷軸與連接簾板之間的受力情況。

2.3 最不利情況下的受力情況

最不利情況下受力，是指在 2.1 節(jié)中正常情況下所受的力之外，還增加了簾板與導軌之間的卡滯而產(chǎn)生的摩阻力，具體數(shù)值如下：

1）門體總提升力 F=16.17 kN；

2）簾板與導軌之間的卡滯摩阻力 F5是隨著卡滯的惡劣情況而定的，考慮到最壞情況的卡滯摩阻力 F5=μF=0.15×16.17=2.4 kN；

3）連接件與卷軸之間 7 個連接點均勻布置；

4）連接件處受力計算面積 A =12.8 mm2；

5）防火卷簾門簾板容許應力［σb］= 156.6 MPa；

據(jù)此，門體提升時連接件處所受的力Fs=F+F5=16.17+2.4=18.57k N，則連接件處所受的擠壓力Fb=Fs/7，故：

分析可得，σb＞［σb］，很顯然，在該不利情況下，防火卷簾門卷軸與連接簾板之間的受力不能夠滿足使用要求；且 207.3 MPa 這個應力值已很接近簾板的屈服強度 235 MPa，在長期荷載作用下，如果稍微出現(xiàn)諸如各受力點受力不均衡、螺栓松動、材料質量瑕疵等任何不利情況時，都極易且很快造成連接簾板螺栓孔處擠壓變形過大而導致門體脫落等質量問題。

3 改進措施及建議

3.1 積極采取經(jīng)濟合理的技術措施

3.1.1 降低連接件處剪力

1）增加固定螺栓點數(shù)量。卷軸與連接簾板固定螺栓數(shù)量越多，分攤到每個點的受力就越小，所以說，增加連接處固定螺栓點數(shù)量，是最經(jīng)濟、最方便，也是最可行的方法。

2）增加簾板包覆卷軸。通過前文受力分析可以明顯看出，增加簾板包覆卷軸，可以大幅降低卷軸與連接簾板的受力。

3.1.2 增大連接處受力面積

1）在連接簾板內(nèi)嵌入薄鋼板?？紤]到連接簾板采用防火簾板，雙層中空，螺母很難壓緊的特殊性，建議在防火連接簾板內(nèi)嵌入一根 40 mm（寬）×2 mm（厚）不銹鋼薄板，按螺栓及墊圈規(guī)格輥壓成型，通過螺母、彈墊、平墊組合有效緊固連接簾板，從而實現(xiàn)增大連接簾板與螺栓間擠壓受力面積的目的。

2）增大連接簾板厚度或采用專用連接簾板。如前所述，由于連接簾板的雙層中空特性，且規(guī)范要求單層厚度僅為 0.8 mm，建議加厚連接簾板厚度，或者改用較厚的實芯鋼板加工制造出專用連接簾板，確保螺栓與連接簾板間的擠壓力面積經(jīng)濟合理，具體做法此處不再贅述。

3.2 嚴格按規(guī)范施工及運行維護

3.2.1 螺母墊片和墊圈嚴格按要求設置

門體脫落問題事件發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)所有螺母均無墊片和墊圈，不符合相關施工規(guī)范規(guī)定要求，可以說對脫落事件的發(fā)生起到了“助紂為虐”的催化作用。這個需要在施工過程中，建設、監(jiān)理和施工單位加強管理、檢查，督促工人嚴格按規(guī)范規(guī)定施工。

3.2.2 嚴格按照維護管理規(guī)定定期檢查

建立有效可行的運行維護管理規(guī)定，嚴格落實定期檢查制度，加強專業(yè)培訓力度，定人定崗，特別是對連接簾板固定螺母是否松動、螺栓孔四周有無發(fā)生屈曲變形、門體簾板有無左右竄動、變形而與導軌發(fā)生剮蹭等進行針對性檢查，是避免再次發(fā)生類似脫落事件最直接、最有效的手段。

3.3 修改完善現(xiàn)行相關規(guī)范規(guī)定

3.3.1 明確固定螺栓點間距

如前所述，增加連接處固定螺栓點數(shù)量經(jīng)濟、方便、可行，建議在后續(xù)相關規(guī)范修改時，增加卷軸與連接簾板固定螺栓點間隔要求。例如，卷軸與連接簾板固定螺栓點間隔 300～500 mm，均勻分布，卷軸與門體的第一片連接簾板要求采用一整塊防火卷簾門的簾板或使用專用連接簾板。

3.3.2 增加簾板包覆卷軸

如前所述，簾板包覆卷軸，可以大幅降低卷軸與連接簾板的受力。建議在后續(xù)相關規(guī)范修改時，將簾板在門體完全打開狀態(tài)下包覆卷軸 1～2 圈作為強制要求寫入規(guī)范。

4 結語

近年來，我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展，人民群眾生活水平日益提高，生命財產(chǎn)安全必將更加受到重視和關注，隨著建筑市場的逐步發(fā)展和完善，工程建設中“小小螺絲釘關系質量安全”的“工匠精神”正得到也必將得到充分宣揚和推廣。本文正是基于此，從一起因防火卷簾門連接件處存在的小問題而導致門體脫落故障的質量事件入手，發(fā)揚工匠精神，深入研究，從細從實，分別從定性和定量方面，提出防止鋼質防火卷簾門簾板脫落的改進方案，并對現(xiàn)行規(guī)范提出修改完善建議，從而確保防火卷簾門安全有效地發(fā)揮其應有的功能。