高层建筑典型外墙保温材料火蔓延特性数值模拟研究

有机保温材料被广泛应用于高层建筑外墙保温体系的同时,也可能增加高层建筑的火灾风险。本文通过计算机模拟,着重研究了保温材料之一的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)的火蔓延速率、失重速率及温度场分布等特性。研究结果发现:发生火灾后,外墙保温材料可以在很短的时间内自下而上蔓延至整个材料表面,并有表皮着火的现象。在火焰到达材料顶部之前,向上火蔓延占主导地位,材料中部区域明显燃烧脱落,火焰在材料两端上部继续燃烧,有向下加速蔓延的趋势;之后,火焰沿着材料中部内侧向下剧烈燃烧,材料呈V字型燃烧直至熄灭。在高层建筑外墙外保温材料火蔓延中,不同着火点情况下的燃烧速率随时间变化的趋势相似,且会形成两个波峰。     

钢框架房屋火灾消防过程温度场数值模拟研究∗

钢结构在火灾消防过程中容易遭到破坏甚至发生倒塌，而空间温度场是研究结构响应的基础。为了研究喷水消防对空间温度场的影响，建立了三层三跨钢框架房屋模型，在火灾动力学软件中利用水喷淋方式模拟了其消防灭火过程。分别研究了消防在火灾初期发展阶段和稳定燃烧阶段介入时，火源及框架平面附近的温度场分布与发展规律，对比分析了消防在不同火灾阶段介入后直接灭火跨与相邻跨的火场温度变化特性。研究结果表明：（1） 数值模拟结果与火灾消防试验结果吻合较好，验证了数值模型中采用水喷淋方式模拟喷水消防过程获得温度场的可行性；（2）消防在火灾初期发展阶段介入后，直接灭火跨的温度发生骤降，最大降幅约 350 ℃，约 20 s 后缓慢回升， 消防喷水有效减缓火灾发展进程，抑制空间温度与梯度发展，框架附近平面火场达到的最高温度相比无消防介入火灾低约 350 ℃；（3）消防在稳定燃烧阶段介入时，空间温度较高、温度梯度较大，消防介入后火场最高温度在 60 s 左右降低约 650 ℃，降温速率约 11 ℃/s，短时间内温度梯度变化剧烈；（4）与在稳定燃烧阶段介入相比，消防在火灾初期发展阶段介入可大幅降低火场最高温度，且使温度梯度变化比较缓和。     

喷水灭火过程中足尺钢框架房屋温度场试验研究∗

喷水灭火行为引起的火场局部温度骤降,有可能引起房屋结构破坏。为研究火灾及消防过程中温度场的分布和变化情况,设计建造了足尺钢框架房屋,根据实际火灾及消防场景设计火灾荷载和消防系统,模拟了真实火灾下窗户玻璃破碎和喷水灭火对火灾温度场的影响。试验过程中利用热电偶测量火灾及消防全过程的火场温度,得到了火场中不同位置的温度变化曲线。根据试验结果,并结合火灾动力学分析了火场温度的空间分布和变化规律。研究表明:火灾过程中,火场在垂直方向上存在明显的温度梯度,空气温度随高度增加而升高;框架平面沿水平方向越靠近起火点,升温速率越快,能达到的最高温度越高,垂直方向温度梯度越大;玻璃破碎增大了通风口面积,对通风控制型火灾的温度场有显著影响,靠近通风口处温度略有降低,而远离通风口的火场纵深处温度大幅上升;消防喷水能迅速抑制火场燃烧,降低火场温度,降温速率随喷水灭火时间增长而减小;开始灭火的短时间内,火源附近温度骤降,降温速率最高达到391℃/min。     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能研究

建立了局部火灾下多层多跨矩形钢管混凝土柱-钢梁平面框架温度场和力学性能分析的有限元模型。在考虑楼板影响的基础上,研究了保护层厚度不同时钢管混凝土框架结构的温度场分布规律。研究了不同受火工况条件下钢管混凝土框架结构的变形和破坏规律、耐火极限状态、受火梁的内力状态以及结构耐火极限的规律。分析表明,梁保护层厚度影响钢梁温度分布形式;火灾下,框架结构发生了受火梁的整体屈曲破坏。     

外墙保温系统防火试验研究的温度场分析

对多种墙体保温材料、多种不同构造组成的保温系统进行了多项室内外防火性能试验。两面墙体外保温系统分别为胶粉聚苯颗粒贴砌聚苯板和聚苯板薄抹灰系统。以保温系统的外饰面(涂料饰面和面砖饰面)为例,阐述了保温系统的防火试验方法。通过对试验测试数据的处理,得出了保温系统温度和温度场的变化规律。揭示了保温系统在火灾试验的过程中,两种墙体的保温系统在火灾作用下的燃烧速度和火势蔓延的范围。将温度及温度场变化规律和燃烧后保温系统的破损情况进行比较,得出本构造材料可提高保温系统的防火性能的结论。     

圆形开口建筑火灾外立面热羽流温度演化研究∗

建筑火灾是火灾科学领域的重要研究方向之一,外立面热羽流温度是评价建筑火灾危险性的重要指标。基于弗洛德相似准则,利用缩尺寸单一开口燃烧腔室模型开展建筑火灾实验,对不同火源功率和开口尺寸下圆形开口建筑火灾外立面热羽流温度分布规律进行探究。研究结果表明：(1)在燃烧状态稳定下,对于确定开口尺寸和火源功率,圆形开口燃烧室内顶棚下方热气体温度基本均匀且保持一致;(2)在圆形开口建筑火灾中,火溢流和顶棚射流火焰的扩展工况下,外立面溢出热羽流温度演化与矩形开口火溢流工况相似;(3)基于热羽流温度实验数据, 分别建立了不同开口尺寸、火源功率下圆形开口建筑火灾顶棚射流火焰扩展和火溢流工况的外立面溢出热羽流竖向温度预测模型。     

火源位置对凹型砖木结构古建筑火蔓延特性影响研究∗

为探究凹型砖木结构古建筑火灾蔓延特性,以某典型凹型古建筑为研究对象,利用 Pyrosim 软件进行物理模型搭建,研究不同火源位置对火灾蔓延规律的影响,以及在该过程中温度、能见度变化规律和 CO、CO₂浓度动态分布情况等。结果表明：不同火源位置对火蔓延特性影响较大,若引火源位于凹型古建筑西南角,相较西北、正北方向两个工况,热释放速率可高达 240 MW/s,应选择在该处设置多个感温探测器及自动喷淋系统用于火灾防范;若引火源位于建筑西南角,相较其他工况室内温度可达最高值 1 000 ℃,CO、CO₂浓度亦均达最值,且在垂直高度 1.67 m 处能见度下降速率达到峰值,人员需在 2 min 内全部疏散。该研究对于凹型砖木结构古建筑火灾防控、防灭火装置的合理排布及灾后人员高效、安全疏散具有重大意义和参考价值。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

火灾作用下单层球面网壳的非线性有限元分析

基于高大空间建筑火灾作用下的空气升温实用公式,按照欧洲规范规定的火灾高温作用下钢材的材料特性,考虑了温度对钢材特性的影响以及钢材屈服后的强化特征,对一凯维特单层网壳结构在火灾作用下的性能进行了非线性有限元分析,研究其在不同局部火灾作用下的温度场分布和位移特征,以及不同火源影响的最不利位置。结果表明:网壳结构在所有设计火源模型下的极限耐火时间都在20～30min左右;对于结构极限耐火时间,火源位置的影响大于火源面积的影响;结构中心向外延伸的第1环到第3环之间的区域,是结构抗火的薄弱部位。     

排烟方式对大空间建筑火灾空气升温的影响

为了考察烟气排放对大空间建筑火灾温度场的影响,利用FDS程序仿真模拟了火灾场景,系统分析了不同排烟系统对温度场的影响。结果表明:烟气排放对温度的影响较大,最大降温幅度可达原最高温度的50%左右;降温幅度与建筑高度有密切联系;当建筑高度小于12m时,按规范设计的自然排烟系统下的火场温度低于机械排烟的火场温度;当建筑高度达到或超过12m时,自然排烟系统下的火场温度将接近或高于机械排烟的火场温度。     

基于节点删除法的村寨建筑群火灾蔓延危险建筑确定∗

在火灾蔓延分析的基础上,采取低干预的建筑改造措施对村寨建筑群的火灾蔓延防控具有重要意义。通过对建筑间火灾蔓延路径的判定,建立建筑群火灾蔓延网络的邻接矩阵和蔓延矩阵以确定火灾蔓延风险,进一步结合节点删除法确定改造不同建筑后建筑群的火灾蔓延风险下降率,在此基础上分析了建筑改造的优先级序列并确定了危险建筑。最后将该方法应用于云南某杆栏式村寨建筑群火灾蔓延危险建筑的确定,结果表明：该方法可以有效找出建筑群中对火灾蔓延影响大的危险建筑,且在仅改造少量建筑的情况下,建筑群的火灾蔓延风险便能有可观的下降。     

火灾下型钢混凝土异形柱温度场分析

为了分析型钢混凝土异形柱的耐火极限及火灾后的力学性能,为试验研究做好充分的前期准备,本文采用有限元分析软件ANSYS对型钢混凝土异形柱截面温度场进行数值模拟,得出了柱截面在不均匀受火情况下的温度场分布规律。结果表明,在两面受火的情况下,L形柱的凹角处的温升低于其它部位;由于型钢的存在,加快了柱截面内部温度的热传导;距离受火面相同的深度处的混凝土与型钢的温度不同,因此有必要研究损伤差异对承载力和两者粘结滑移造成的影响。     

钢管混凝土叠合柱温度场试验研究

研究了ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土叠合柱的温度场。完成了8根叠合柱的火灾试验,考虑因素包括试件截面尺寸、截面类型和含管率。建立了有限元模型,并对试验结果进行参数分析。以方形截面叠合柱为例,分析了火灾时间、受火方式、截面尺寸、长细比、含管率、纵筋配筋率等参数变化对截面温度场的影响规律。火灾时间相同情况下,试验结果表明:(1)含管率相同时,截面尺寸越大,柱内温度越低;(2)截面尺寸相同时,含管率的变化对柱内温度场影响较小;(3)方形截面柱的边长和圆形截面柱的直径相同时,方形截面柱内温度低于圆形截面柱内温度。有限元模型模拟结果表明:火灾时间、截面尺寸和受火方式是影响叠合柱温度场分布的主要因素。     

高层住宅建筑火灾应急疏散模拟与策略研究

为探索高层住宅建筑火灾疏散安全性及提升其疏散效率的策略,将某一栋26层装配式住宅为研究对象,采用Revit建立其物理实体模型,结合火灾模拟软件(Pyrosim)和疏散仿真软件(Pathfinder)对高层住宅建筑火灾疏散进行数值模拟,研究不同工况下火灾烟气蔓延特性对安全疏散的影响,并探讨电梯协同楼梯疏散策略的可行性与科学性。结果表明：考虑火灾烟气蔓延影响下,晚上高层住宅内人员将在8 min完成疏散,超过了安全疏散允许时间6 min;电梯协同楼梯疏散时,电梯的最佳停靠层为23层,使用电梯人员比例最佳为80%,疏散总时间约为6 min,相较于仅使用楼梯疏散时,疏散效率提升了约15%,表明电梯协同疏散效果提升显著,可为高层住宅应急疏散提供理论参考。     

局部火灾下正放四角锥网架中杆件约束效应分析

基于改进的正放四角锥网架结构在非均匀温度场中的数值分析模型,建立了147例数值分析模型。借助ANSYS软件的热力耦合数值分析功能,得到了网架结构高温力学特征量数据库,从杆件纵向变形与杆件应力历程的角度,研究了局部火灾下杆件间的约束效应分布规律,同时研究了温度场非均匀性、荷载比、网格尺寸对杆件约束效应的影响规律,研究表明,在局部火灾下,网架结构斜对称轴上中间位置处腹杆受到的轴向约束最强,表现为压应力增加;垂直于斜对称轴方向的杆件表现为拉应力增加;杆件轴向约束程度随温度场非均匀性的增强及网格尺寸的减小而增大;在结构高荷载比情况下,温度场非均匀性和网格尺寸对杆件轴向约束的影响尤为显著。     

局部火灾下正放四角锥网架中杆件约束效应分析北大核心CSCD

基于改进的正放四角锥网架结构在非均匀温度场中的数值分析模型,建立了147例数值分析模型。借助ANSYS软件的热力耦合数值分析功能,得到了网架结构高温力学特征量数据库,从杆件纵向变形与杆件应力历程的角度,研究了局部火灾下杆件间的约束效应分布规律,同时研究了温度场非均匀性、荷载比、网格尺寸对杆件约束效应的影响规律,研究表明,在局部火灾下,网架结构斜对称轴上中间位置处腹杆受到的轴向约束最强,表现为压应力增加;垂直于斜对称轴方向的杆件表现为拉应力增加;杆件轴向约束程度随温度场非均匀性的增强及网格尺寸的减小而增大;在结构高荷载比情况下,温度场非均匀性和网格尺寸对杆件轴向约束的影响尤为显著。     

城市交通隧道内火灾环境发展规律的数值模拟研究

为缓解城市地面交通压力,城市交通隧道在许多大城市中已经得到越来越多的应用。由于城市交通隧道具有特殊的交通特性、地理位置及建筑结构,其火灾安全问题受到了极大的关注。研究其内部的火灾环境,对于设置相应的防火安全设施来保证内部人员和隧道结构本身的安全至关重要。本文采用数值模拟的手段,对自然通风工况下,有坡度和无坡度隧道在火灾环境下的温度分布特性进行了研究。研究结果表明,2种隧道内的温度分布特性有很大差异;对于由烟囱效应导致的有坡度情况下的温度分布特殊性,在制定相应的防排烟措施时应充分考虑。研究结果对于隧道的结构防火设计、防排烟系统设计及火灾时的人员疏散方案制定有一定的参考价值。     

隧道火灾时空温度场小波分析

提出了分布式光纤温度传感系统(DTS)时空温度场小波分析方法,完成了监测系统报警算法的设计;应用该算法,对隧道内弱风和强风条件下的模拟实验隧道火灾时空温度场进行了瞬态识别;基于隧道温度场监测数据时空矩阵的提取,对隧道的温度场变化规律做出了分析,并选取Ribo3.7小波基成功识别出隧道火灾时空温度场的奇异点.实验结果表明...     

瓮丁村典型民居火灾动力学分析

翁丁村是我国典型的杆栏式古建筑群,为防止火灾在建筑间蔓延,当地传统风俗中形成了在发生火灾时拆除建筑茅草顶的防火技法。为验证这种防火技法的有效性并为后期试验提供理论依据,采用火灾动力学模拟软件FDS对典型民居进行了火灾动力学分析,获得了不同屋顶拆除时间火灾场景下的火灾热释放速率、热辐射通量和建筑间安全距离。在此基础上,结合理论分析给出了拆除屋顶的临界时间的理论计算公式,并比较了两种不同热辐射简化计算模型的计算效果。结果表明:在临界时间之前,即建筑火灾由燃料控制型转变为通风控制型之前拆除屋顶,可有效降低火灾发生时的热释放速率和热辐射强度,从而能有效地防止建筑间的火灾蔓延;由于房屋间距小,在临界时间之后才拆除起火建筑的屋顶,会导致火灾在建筑间蔓延;采用面源简化计算模型计算不同距离的热辐射通量,与计算机模拟的结果更为接近。     

隧道纵向通风对火灾规模和火灾蔓延的影响

隧道纵向通风一方面会给火源提供大量氧气,扩大火灾规模,增加火灾蔓延的可能性;另一方面又可以带走大量热量,减小火灾蔓延的可能性。目前,这两方面影响的相对重要性还没有被很好地研究。本文对纵向通风对隧道火灾蔓延的影响进行了研究,首先分析了纵向通风对隧道火灾规模的影响,然后利用火灾动力学模拟程序FDS,对不同通风速率及相应火灾规模条件下隧道内车辆间的火灾蔓延进行了数值模拟,得出了不同通风速率条件下火灾蔓延的规律,并提出了控制隧道火灾蔓延的措施。结果表明,增加通风速率能较大地增加货车火灾的热释放速率,当通风速率小于2 m/s时,火灾蔓延的距离随通风速率的增加而增大,当通风速率大于2 m/s时,火灾蔓延的距离受通风速率的影响很小;对于客车火灾,通风对火灾的热释放速率影响较小,并且火灾蔓延的距离随通风速率的增大而减小。