風(fēng)速對(duì)某彩鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)時(shí)拆除寬度影響的數(shù)值模擬研究

【摘要】由于聚苯乙烯彩鋼板作為建筑材料耐火性能差、易倒塌，此類建筑火災(zāi)時(shí)的滅火救援工作面臨著一系列問(wèn)題。以某大跨度彩鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)為例，結(jié)合實(shí)際救援工作中通過(guò)快速拆除部分彩鋼板而將燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域進(jìn)行分隔的方法，運(yùn)用FDS數(shù)值模擬，研究在一定火源功率下，風(fēng)速對(duì)所需拆除寬度的影響。研究結(jié)果表明：在火源功率一定時(shí)，燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速越大，未燃燒區(qū)域與燃燒區(qū)域所需拆除寬度越大。燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速≤3 m/s時(shí)，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜V≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜V≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

【關(guān)鍵詞】聚苯乙烯彩鋼板； 滅火； 拆除寬度； 風(fēng)速； FDS數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】TU998.12A

0 引言

大跨度、大空間建筑具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間大、分隔自由等優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天受到各類企業(yè)的青睞，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)廠房、企業(yè)原料成品倉(cāng)庫(kù)、大型物流倉(cāng)庫(kù)等生產(chǎn)儲(chǔ)存類建筑中［1］。由于成本低廉，安裝方便，使用聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）夾芯彩鋼板作為屋頂側(cè)墻材料最為常見(jiàn)。然而，由于彩鋼板建筑耐火等級(jí)低、發(fā)生火災(zāi)后蔓延快、不易撲救等原因造成其火災(zāi)日趨增多，損失加重［2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2012年10月10日5時(shí)，西安市引漢濟(jì)渭工程工地一彩鋼板（芯材為聚苯乙烯）活動(dòng)房發(fā)生火災(zāi)，造成12人死亡、2人失蹤、24人受傷；2010年5月3日，內(nèi)蒙古呼和浩特市在建鐵路隧道工地民工彩鋼板工棚（芯材為聚苯乙烯）發(fā)生火災(zāi)，造成10人死亡、14 人受傷［3］；追溯至2001年1月16日，某公司聚苯乙烯復(fù)合彩鋼板車間發(fā)生火災(zāi)，9000余m2鋼結(jié)構(gòu)廠房整體坍塌，直接財(cái)產(chǎn)損失7 669 284元［4］。

時(shí)下雖然已經(jīng)出現(xiàn)了更好的替代材料，但目前鋼結(jié)構(gòu)的大空間廠房、倉(cāng)庫(kù)已經(jīng)大量存在，要完成此類建筑的更新?lián)Q代需要付出較大的人力和物力，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，并非經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。因此，有必要對(duì)現(xiàn)存的大量彩鋼夾芯板建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)其消防設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)用、重點(diǎn)部位的特殊保護(hù)、滅火救援作戰(zhàn)的戰(zhàn)略制定和消防管理的對(duì)策實(shí)施等方面進(jìn)行研究。楊慶云、顏東升［5］利用全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置采集了不同情況下EPS夾芯板燃燒的熱釋放速率，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析提出了相應(yīng)的防火對(duì)策；聶曉勝［6］對(duì)彩鋼板房發(fā)生火災(zāi)的主要因素、彩鋼板建筑火災(zāi)的特點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)研和分析，提出了若干預(yù)防彩鋼板建筑火災(zāi)的措施，強(qiáng)調(diào)初期階段最有效的滅火方式是對(duì)板材金屬面進(jìn)行切割阻止火勢(shì)的蔓延，同時(shí)采用滅火器等進(jìn)行滅火。石祥、邱華［7］分析了不同材料大跨度工業(yè)廠房火災(zāi)時(shí)的結(jié)構(gòu)性能，從實(shí)際滅火角度出發(fā)，提出了調(diào)足滅火力量、展開(kāi)火情偵查、冷卻建筑主體、科學(xué)實(shí)施破拆等火災(zāi)撲救措施，并詳細(xì)闡述了火災(zāi)撲救過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

對(duì)于大跨度彩鋼結(jié)構(gòu)廠房實(shí)際滅火救援，可通過(guò)快速拆除部分彩鋼板而將燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域進(jìn)行分隔，風(fēng)速對(duì)拆除寬度有一定影響。若風(fēng)向與著火區(qū)域相同且風(fēng)速較大，將加劇火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，此種情況下須達(dá)到較大的拆除寬度，才能有效阻止火災(zāi)蔓延。若風(fēng)向與著火區(qū)域相反，較小的拆除寬度即能夠阻止火災(zāi)擴(kuò)大至未燃燒區(qū)域。目前缺乏風(fēng)向與風(fēng)速大小對(duì)火災(zāi)時(shí)所需拆除寬度的影響研究。筆者針對(duì)火災(zāi)迅速蔓延而導(dǎo)致建筑物鋼結(jié)構(gòu)大面積坍塌的危險(xiǎn)，運(yùn)用FDS數(shù)值模擬，研究在火源功率一定時(shí)，風(fēng)速對(duì)所需拆除寬度的影響。本文的研究成果將為今后此類建筑滅火救援作戰(zhàn)中工作的開(kāi)展和決策提出指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 某大跨度彩鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)案例分析

1.1 工程概況

某大跨度彩鋼結(jié)構(gòu)廠房是加工生產(chǎn)食品的企業(yè)成產(chǎn)車間和倉(cāng)庫(kù)，由液氨間、凍菜車間、罐頭車間、調(diào)理罐頭車間和成品倉(cāng)庫(kù)組成。廠房全長(zhǎng)170 m，寬120 m，高10 m，西部局部2層（第二層為辦公場(chǎng)所），總建筑面積1.49萬(wàn)m2，平面如圖1所示。廠房的結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)框架和框排架，主跨為鋼屋面梁，雙層EPS夾芯彩鋼板屋面和外墻，其中液氨間隔墻采用磚混結(jié)構(gòu)墻體。廠房?jī)?nèi)有生產(chǎn)器械，冷凍塔罐，生產(chǎn)的食品成品、半成品，包裝專用機(jī)械和紙箱等。

1.2 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)分析

該廠房西側(cè)二層辦公區(qū)由于電器線路短路引燃周邊可燃物發(fā)生大火，大火迅速蔓延，并導(dǎo)致作為廠房建筑材料的彩鋼板起火。彩鋼板結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)后，燃燒猛烈，蔓延迅速，形成大面積立體燃燒。彩鋼板架構(gòu)較輕，支架為輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)，跨度較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力較平均，由于受大火長(zhǎng)時(shí)間烘烤高溫變形，一旦有個(gè)別地失去支力，就像雞蛋皮破損一樣，失去整體相互支力，形成整體倒塌。火災(zāi)中，整個(gè)廠房?jī)霾塑囬g、罐頭車間和調(diào)理罐頭車間過(guò)火嚴(yán)重，并發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌，雖然調(diào)集了多個(gè)消防隊(duì)人員和設(shè)備，但由于車間部分火勢(shì)太猛，已超出了當(dāng)時(shí)的消防力量滅火范圍。現(xiàn)場(chǎng)指揮員以防止火勢(shì)繼續(xù)蔓延為目標(biāo)，通過(guò)冷卻液氨間和庫(kù)房以及用挖掘機(jī)挖開(kāi)庫(kù)房與車間部分的彩鋼板的方法，有效保存了液氨間和成品倉(cāng)庫(kù)的完整性，減少了經(jīng)濟(jì)損失和控制了火情。

實(shí)際救援工作中，通過(guò)分隔燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域保持一定的安全距離，能夠有效阻止火災(zāi)的蔓延，而對(duì)于具體的分隔寬度尤其是風(fēng)速影響下的分隔寬度并沒(méi)有可供參考的數(shù)據(jù)。因此，筆者以該彩鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)為例，通過(guò)FDS數(shù)值模擬的方法，研究在不同風(fēng)速情況下燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域之間所需的拆除寬度。

2 彩鋼結(jié)構(gòu)廠房數(shù)值模擬研究

根據(jù)廠房的實(shí)際構(gòu)造和尺寸，在軟件中搭建該廠房的模型，如圖2所示。

由于筆者考察的是為保護(hù)庫(kù)房區(qū)的完整性，在一定火源功率、不同風(fēng)速情況下對(duì)庫(kù)房和著火車間的彩鋼板結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除所需的拆除寬度。因此，火災(zāi)場(chǎng)景的確定本著盡可能與實(shí)際情況相符合的原則，設(shè)計(jì)為車間部分全部過(guò)火，庫(kù)房與車間保持一定的距離，考察在最不利情況下，隨著西風(fēng)強(qiáng)度的增加，需要多大拆除寬度才能保證車間的火災(zāi)不會(huì)引燃庫(kù)房。

2.1 模擬參數(shù)確定

車間的主要可燃物為彩鋼夾芯板和車間內(nèi)的紙盒，彩鋼夾芯板的主要組成部分為聚苯乙烯泡沫塑料，可以判定廠房火災(zāi)為t2快速火，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.0469 kW/s2［8］。模擬時(shí)間設(shè)置為1200 s，假設(shè)車間可燃物和彩鋼板結(jié)構(gòu)劇烈燃燒后的過(guò)火面積為原橫截面的1/3，即175 m2，則模擬的火災(zāi)規(guī)模為43.75 MW，火源高度取為5 m。在火災(zāi)規(guī)模不變的情況下，監(jiān)測(cè)不同風(fēng)速時(shí)庫(kù)房西側(cè)彩鋼板所受的輻射強(qiáng)度和溫度，通過(guò)和聚苯乙烯臨界輻射熱流量和臨界熔化溫度相比較，得到拆除寬度值。聚苯乙烯泡沫塑料單位面積熱釋放速率峰值不大于250 kW/m2，考慮到彩鋼板的燃燒性能介于“木材”與“帶漆木材及輕質(zhì)裝飾材料”之間，因此，取12 kW/m2為彩鋼板的臨界輻射熱流量。聚苯乙烯的熔點(diǎn)為240 ℃，燃點(diǎn)為360 ℃［9］，考慮到現(xiàn)場(chǎng)水槍對(duì)庫(kù)房的冷卻作用，臨界引燃溫度取360 ℃。根據(jù)廠房所在地2012年度風(fēng)速情況，取最大風(fēng)速12 m/s為模擬的最大風(fēng)速。因此，本文模擬的不同風(fēng)速范圍為0 m/s到12 m/s。

綜上分析，設(shè)計(jì)火災(zāi)場(chǎng)景如表1所示（風(fēng)速0，1，2，……，12分別對(duì)應(yīng)場(chǎng)景1，2，3，……，13）。

2.2 模擬結(jié)果處理

通過(guò)在庫(kù)房西側(cè)立面布置18個(gè)熱輻射強(qiáng)度監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及將庫(kù)房西側(cè)立面設(shè)置為溫度監(jiān)測(cè)面，模擬得出最大熱輻射強(qiáng)度和最高溫度。在不同拆除寬度情況下，若兩個(gè)監(jiān)測(cè)值均小于相應(yīng)臨界值時(shí)，則庫(kù)房不會(huì)被引燃。由于拆除寬度是逐漸加大，因此，可以得到不同風(fēng)速時(shí)庫(kù)房不被引燃的所需最小拆除寬度。在此只列舉對(duì)最終結(jié)論造成直接影響的數(shù)據(jù)和圖表，如圖3、圖4所示。

綜合上述數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，匯總結(jié)果如表2所示。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同拆除寬度時(shí)監(jiān)測(cè)面熱輻射強(qiáng)度和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到該彩鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)（火災(zāi)規(guī)模為43.75 MW）。

（1）燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速越大，未燃燒區(qū)域與燃燒區(qū)域所需安全拆除寬度越大。

（2）燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速v≤3 m/s時(shí)，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜v≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜v≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

（3）當(dāng)燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域間拆除寬度小于對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的所需安全拆除寬度，將不能阻止火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大。

3 結(jié)論

通過(guò)FDS數(shù)值模擬方法得到本文所研究的某彩鋼結(jié)構(gòu)廠房在火災(zāi)規(guī)模為43.75 MW，風(fēng)向?yàn)槿紵齾^(qū)域向未燃燒區(qū)域，風(fēng)速在0～15 m/s之間的所需安全拆除寬度研究結(jié)論如下：

（1）在火源功率一定的情況下，燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速越大，未燃燒區(qū)域與燃燒區(qū)域所需安全拆除寬度越大。

（2）通過(guò)將0～12 m/s風(fēng)速分為幾個(gè)等級(jí)，確定所需安全拆除寬度值：燃燒區(qū)域側(cè)風(fēng)速≤3 m/s時(shí)，所需的安全拆除寬度為5 m；3 m/s＜v≤9 m/s，所需的安全拆除寬度為6 m；9 m/s＜v≤12 m/s，所需的安全拆除寬度為7 m。

（3）當(dāng)燃燒區(qū)域與未燃燒區(qū)域間拆除寬度小于對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的所需安全拆除寬度，將不能阻止火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大。

（4）在火災(zāi)規(guī)模相同的情況下，本文所得模擬結(jié)果可直接應(yīng)用于實(shí)際的滅火救援工作中。

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