鋁合金車體城市軌道車輛地板防火結構設計

李鵬飛，蔡明君，朱旭，呂濤

(1.中車長春軌道客股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130000;2.呼和浩特市城市軌道交通建設管理有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000)*

城市軌道交通車輛已成為人們出行的重要交通工具之一，在帶來便捷的同時，如何確保城市軌道客車車輛防火安全性能也成為了一個重要課題［1］.由于其具有空間密閉，人員密度大和疏散困難等特點，一旦發生火災，必然會造成不可估量的損失［2］.這就要求在車輛研制初期，針對車輛各系統的結構采取必要的防火隔熱措施，設計合理的隔火結構來提高車輛整體的耐火性能［3］.與國外相比，我國的軌道客車火災應對研究［4］及防火標準相對滯后［5］，而當前國內外的市場項目均對軌道客車車輛的防火性能提出了更深入的要求［6］.車輛的底架的防火性能又是制約整車防火安全的重要因素，如何提高車輛底架的結構耐火性能已成為車輛防火工程的重點和難點［7］.本文依據國內外應用廣泛的防火標準對鋁合金軌道客車地板不同耐火結構進行測試并分析，提出車輛底架防火設計建議，為車輛地板結構防火提供了參考.

1 典型地板結構

根據軌道車輛的正常使用環境及工況，設計結構耐火的地板試驗樣件，參考BS 6853 7.1.2節規定，設計并制作地板樣件為1 m×1 m(建議為1.1 m×1.1 m，受火面更大，同時滿足試驗設備要求)，試驗樣件與真實車輛上地板的結構相同，所有的地板穿透物(如線纜和管路)以及地板表面所鋪裝的地板布所采用的材料也與實際車輛完全一致［8］.

1.1 地板結構1

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結構從下至上依次為鋁車體底架、鋁合金型材支撐，橡膠墊支撐、鋁蜂窩地板和地板布(如圖1所示)，試驗構件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120 mm.

地板第1層為鋁合金型材組焊的鋁車體底架，是軌道客車地板結構的支撐主體.

第2層鋁蜂窩地板與鋁型材車體中間無防寒材，鋁蜂窩地板與鋁車體底架之間采用鋁型材支撐+橡膠墊作為支撐，在車輛正常運行時可實現減震降噪的作用.

第3層為鋁蜂窩地板，是車內地板的主體結構.

第4層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

圖1 地板結構1

1.2 地板結構2

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結構從下至上依次為阻尼性防火涂料、鋁車體底架、橡膠墊彈性支撐、防寒材、鋁蜂窩地板和地板布(如圖2所示)，試驗構件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120 mm.

圖2 地板結構2

地板第1層為覆涂阻尼型防火涂料的中空鋁合金型材組焊的鋁車體底架，這是鋁合金軌道客車地板結構的主體，涂料起到耐火隔熱作用，鋁合金型材主要作用是支撐.

第2層為鋁蜂窩板與鋁合金車體中間以超細玻璃棉為防寒材;鋁蜂窩地板與鋁車體底架之間放置鋁型材彈性支撐，以確保防寒材不會因擠壓產生變形，同是在實際運營時起到列車減震效果，降低車內噪聲.

第3層為鋁蜂窩地板，是車內地板的主體結構.

第4層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

為更真實模擬地板結構特截取地板過線孔洞過線部位如圖3所示.

圖3 地板過線孔結構

1.3 地板結構3

鋁合金車體底架+鋁蜂窩地板:地板結構從下至上依次為不銹鋼板、防寒材、鋁車體底架、橡膠墊支撐、防寒材、鋁蜂窩地板和地板布(如圖4所示)，試驗構件尺寸為1 000 mm×1 000 mm×120mm.

圖4 地板結構3

地板第1層不銹鋼板，主要起耐火作用.

第2層防寒材，主要起隔熱和降噪作用.

第3層為由鋁合金型材組焊的鋁車體底架，是軌道客車地板結構的支撐主體.

第4層為鋁蜂窩地板與鋁車體底架中間采用黑色阻燃玻纖布+玻璃棉防寒材;其間鋁蜂窩地板與鋁合金車體間采用橡膠墊作為彈性支撐，以確保防寒材不會因擠壓產生變形.

第5層為鋁蜂窩地板，是車內地板的主體結構.

第6層為PVC地板布，用膠粘劑鋪裝在鋁蜂窩地板之上，與乘客直接接觸.

為更真實模擬地板結構特截取地板過線孔洞過線部位如圖3所示.

2 地板結構耐火試驗原理及流程

2.1 試驗原理

根據BS 6853 3.1.12.2節所述試驗方法，在不施加任何負載的條件下，沿地板布水平向上方向進行地板耐火試驗，地板樣放置在可加熱區域中(如圖5所示)，樣件下表面處于不斷的溫升狀態下，以該樣件保持完整不被破壞的時間來定義它的耐火性能好壞.雖然試驗和真實火災發生的環境不能100%相同，但是試驗數據仍然能夠反映出其該結構的防火性能，為軌道車輛耐火結構評估提供數據基礎.

圖5 試驗原理示意圖

本試驗是為了模擬真實的軌道車輛火災情況，因此將車體底架下表面做為受火面，與接觸乘客的地板上表面做為背火面進行地板耐火試驗測試［9］.

試驗開始后，將試驗爐內的平均溫度T與測試時間t的關系定義為:T=345 lg(8t+1)+20.為盡量模擬真實火災環境，避免車體底架四周不封閉所產生的誤差，測試時將爐壓保持在0～2 Pa的狀態下.如果地板結構在經20 min的標準耐火試驗后其完整性不被破壞;依據測試標準，在試驗20 min后，對地板上表面的各點溫度進行測量，當平均值在250℃以下，并且地板上表面沒有超過300℃的點，則認為地板樣件是符合BS 6853:1999標準耐火要求的.

2.2 試驗設備與流程

耐火測試爐的爐口尺寸為1.15 m×1.15 m，由5根熱電偶對爐內溫度進行控制.先將熱電偶安裝在樣件的乙型梁、鋁型材接口處等特殊的位置或代表性的點，再將支撐框架水平安裝到多功能耐火測試爐上，地板樣件在爐上進行試驗時，測溫點在距離地板樣件上表面100 mm的高度.地板樣件底面溫度則可以通過這5個熱電偶上不同的點分別測量后，計算得出爐內溫度平均值，從而控制爐內溫度.試驗流程圖如圖6所示.

圖6 試驗流程圖

首先將固定試驗樣件的角鐵焊接在耐火測試爐的支撐框架上，使用耐高溫陶瓷纖維棉對爐壁與樣件之間的縫隙進行封堵，這樣地板樣件的邊緣不會被灼燒，能更真實地反映地板樣件的耐火性能，同時也可以防止爐內的熱氣流和煙霧溢出.地板上部安裝邊緣壓力件后固定于支撐框架上，可以有效避免地板樣件因熱應力效應影響實驗結果.

同時，按照圖7的標示，將5個熱電偶安裝在在結構試件背火面的各點，可以更全面的檢測試驗樣件背火面的溫度.

圖7 試驗樣件中熱電偶的位置

測試爐溫升之前，記錄所有的熱電偶的初始溫度及環境溫度.按照圖8所示的BS 476-20標準溫升曲線對爐子進行升溫、升壓，并在測試過程中記錄爐內溫度的實時變化.

圖8 BS 476－20標準溫升曲線

試驗開始后，觀察地板樣件的實時狀態，如表面是否有形變、起泡、甚至坍塌等形態變化.為了更好地記錄試驗樣件的表面形態變化，對地板樣件每5 min拍照記錄一次.同時將棉花墊放置與地板樣件上表面，觀察棉花墊否著火，并用間隙規檢查地板樣件是否受熱開裂.

根據BS 6853:1999的要求，耐火試驗應該在第20 min時結束，而本次測試將耐火測試時間延長至30 min，將試驗結果與BS 6853:1999中規定的防火標準進行對比，說明其耐火性能優劣，也直接反映出地板結構試驗樣件的耐火能力［10］.隨著軌道客車車輛的防火要求不斷提高，為獲得更多試驗數據，30 min測試結束后繼續保持測試爐的爐內溫度至60 min，并記錄最終數據以供參考.

3 地板結構耐火試驗結果與分析

3.1 地板結構1耐火試驗結果分析

地板結構1耐火試驗結果如圖9所示，在沒有做任何防火隔熱措施的條件下，火焰直接與鋁合金型材表面接觸燃燒.根據升溫曲線顯示，當5 min時的時候，爐內的溫度已經達到了609℃，鋁型材開始融化.在8 min時，鋁型材在648℃時候達到了熔點范圍，開始熔融變形.火焰穿越了鋁型材，通過鋁型材、鋁支撐傳導到鋁蜂窩地板，直接導致地板布燒穿.試驗在第17 min的時候單點表面溫度已經達到了300℃.平均溫度已經達到262℃.整個試驗樣件沒有保護，喪失了隔熱性、完整性.

分析地板結1構失敗的主要原因是沒有良好的絕熱體(如玻璃絲棉等保溫材料)阻止熱量的傳遞，隔熱性喪失.

綜合以上論述，如果是鋁合金車體結構，需要對鋁合金車體底架與地板之間用保溫絕熱材料進行，以此來保護整個樣件的隔熱性.

圖9 地板結構1耐火試驗結果

3.2 地板結構2耐火試驗結果分析

地板結構2耐火試驗結果如圖10所示，地板結構2耐火時間可達到60 min，為了模擬真實的地板結構，在地板結構中截取了目前正在使用的地板過線孔洞的密封結構，更能模擬其真實狀況.該結構的防火主要依靠噴涂在車體底架的800 μ阻尼型防火涂料.在受熱面達到200℃的時候，防火涂料開始膨脹，并且表面碳化，在車體底架鋁合金型材的外表面形成一個碳化的保護層，此保護層相當于一道屏障立于在火焰與地板樣件之間，使兩者的距離有效增大.使高溫無法直接作用在地板樣件下表面.在試驗結束后，受火面會殘留很多黑色有機物，說明防火涂料在試驗整個過程中一直起到隔熱阻燃的作用.在鋁車體底架與鋁蜂窩地板之間填充的玻璃棉和黑色玻璃絲布是熱量的不良導體，阻止了熱量傳導到地板樣件的背火面.

圖10 地板結構2耐火試驗結果

綜上所述，該試驗結構的阻尼型防火涂料的厚度是800 μ就可以達到60 min的防火時效，試驗樣件采用玻璃棉進行保溫絕熱有效的保護了完整性.所以在鋁車體底架與鋁蜂窩地板之間進行防火保護和保溫絕熱處理是必要的.

3.3 地板結構3耐火試驗結果分析

地板結構3耐火試驗結果如圖11所示，將其和地板結構2進行對比，在整體結構和保溫絕熱材料不變的情況下，替換了阻尼防火涂料，在鋁車體底架上鉚接固定鋼板，中間采用玻璃棉隔熱材進行填充.最終地板結構3的測試結果是達到了60min，完整性依然能夠保持完好，背火面的平均溫度是 88.7℃，背火面的單點最高溫度是107.2℃，背火面的平均溫升只有67.9℃，耐火性能非常好.此結構的防火性能主要依靠不銹鋼板對火焰的阻擋以保證整體結構的完整性，同時，利用玻璃棉對熱量的隔絕保證結構隔熱性.600℃以下，不銹鋼的導熱系數約為10～30 W/(m·K)，520℃時，不銹鋼板達到藍脆點溫度并開始產生微小形變.不銹鋼熔點在1500～1600℃之間，即在1500℃以下，不銹鋼板仍為固態，使火焰無法穿透受火面，保證了底架整體結構的完整性.不銹鋼板和玻璃棉隔熱材的復合結構能有效地抵抗熱量對地板耐火結構的破壞，同時也提供了良好的隔熱性.

此地板結構雖然達到了60 min的耐火極限值，并且成本也比地板結構2更為經濟，但是重量增加較大，而且施工復雜，使用壽命也受一定限制，而且車底的設備的安裝高度也會受到限制，在國外早期的列車耐火設計中較普遍采用，但現在較少采用此方案.

圖11 地板結構3耐火試驗結果

4 地板結構耐火試驗結果的參考與建議

針對這3種軌道客車的地板耐火結構樣塊的耐火測試結果對比如表1所示.從表中可以看出，鋁合金車體底架與鋁蜂窩地板之間需有保溫絕熱層，以此來保護整個樣件的隔熱性，否則無法達到BS 6853防火標準的要求;阻尼防火涂料的厚度為800 μ就可以達到再60 min的防火時效內，車輛底架無燒穿變形，同時試驗樣件采用玻璃棉隔熱材料進行保溫絕熱有效的保證了地板結構的完整性;地板結構3的不銹鋼板在實驗中對火焰的阻擋起到了至關重要的作用，火焰無法穿透不銹鋼板，自然就不會產生坍塌或者滲透性失效的現象，所以不銹鋼板和雙層玻璃棉有效地阻止了熱量對背火面的影響，保證了結構的隔熱性和完整性，可滿足60 min以及60 min以上的試驗要求.

表1 樣件測試結果對比

綜合各方面性能，3種地板結構防火方案對比見表2，針對不同軌道車輛的不同設計需求，可選擇不同的防火結構以滿足車輛防火性能的要求.

表2 三種耐火地板結構方案對比