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。     

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。     

局部喷水急速冷却下完全约束火灾高温钢梁力学响应行为

讨论了不同位置喷淋水快速冷却下受限钢梁的力学变化特性,通过相关实验可知:冷却或灭火喷淋水对高温钢结构会产生很大的冲击效应。温度高于6℃与低于5℃的喷淋水对受限高温钢梁产生的受力和变形影响存在明显差异,5℃以下的喷淋水产生的受力和变形特性的最大值要远大于6℃以上喷淋水的作用程度,且要比升温过程产生的受力高1倍以上。冷却位置对结构的受力和变形特性也有影响。一般在右侧梁柱节点处喷水时最大,而在跨中喷水冷却时次之,在梁右侧1/8跨处喷水冷却时最小。受约束钢梁在喷水快速降温过程中,水温变化对结构受力和变形特性的影响程度较大,而水量变化对结构受力和变形特性的影响程度不大。在喷水降温阶段,开始阶段受力和变形特性有所回弹,但仍较大,随着进一步喷水冷却,结构的受力和变形不但不减小,反而增加。     

高层住宅楼外墙保温系统火灾蔓延的数值模拟

为研究施工中高层建筑外墙保温材料火灾蔓延规律及温度场分布情况,利用火灾动力学模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator),建立了一栋20层钢筋混凝土住宅楼实体的数值分析模型,模型中包括施工脚手架和尼龙安全网,火源点位于第6层的外墙上。分析得到了火灾的发生及蔓延、温度场分布、CO浓度分布规律。研究结果表明,火灾开始时,火焰先沿水平方向发展,然后向上蔓延,并迅速蔓延至整个外表面,即呈表皮着火现象;窗户玻璃爆裂后,室内可燃物被点燃,形成立体燃烧;在建筑凹槽处,产生烟囱效应,燃烧最为剧烈,温度高达1000℃;在整个火灾蔓延过程中,温度出现2个峰值点。研究成果可为高层建筑室外火灾采取防控措施提供参考。     

基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统

提出了将虚拟现实技术应用于建筑火灾模拟的方法,在交互式虚拟环境中实现了基于火灾数值模拟的火灾场景模拟。根据火灾场模拟软件FDS的计算结果,控制虚拟火灾场景中火焰和烟雾的蔓延,使得虚拟场景中火灾的发展接近实际火灾的情况。模拟系统中通过纹理贴图和粒子系统等技术实现了逼真的火灾场景可视化。还介绍了实现灭火作战模拟和训员疏散模拟的技术细节。在以上方法的基础上研制了建筑火灾模拟原型系统,该系统可应用于电子消防预案制作、灭火作战演练、人员疏散演练、建筑性能化防火设计与评估,以及灾害条件下人的疏散行为研究等各个方面。     

基于改进RABT升温曲线分析受火地铁隧道管片温度场

既有耐火试验标准升温曲线用于模拟地铁区间隧道火灾场景存在局限性。提出了改进RABT(IRABT)标准升温曲线模型,该模型基于既有耐火试验标准升温曲线,同时考虑了地铁区间隧道火灾的峰值温度、受火持时与升温速率等特征,且包含线性降温段,可设置降温时点,以描述实际火灾场景。采用结构抗火有限元分析软件SAFIR,对1/3缩尺地铁隧道管片的耐火试验进行了IRABT标准升温曲线下的数值模拟,获得了5种不同火灾工况下管片温度变化及截面温度场分布,所对应的IRABT模型分别为:峰值温度700℃与800℃,降温时刻为60min;峰值温度900℃,降温时刻分别为60、45、30min。模拟结果表明,进入降温阶段后,管片受火面20mm以上区域,温升仍将持续,且距离受火面越远,温升持续时间越长;距离受火面90mm以上至管片顶部,已没有明显降温段出现,该区域始终保持升温趋稳状态。降温开始30min后,受火面温度开始低于紧邻的管片内温度;受火试验结束的180min时刻,整个管片内部温度场峰值出现在距受火面40~60mm范围内。同一升温曲线降温时点越迟,则管片近受火面及顶面区域的最终温度越高。因此,对于实际地铁区间隧道火灾,应尽量在升温初期对火势加以有效控制,避免进入恒温传热阶段,可减轻管片混凝土传热破坏程度。该分析结果可为研究地铁隧道衬砌结构受火性能退化提供参考。     

某钢结构物流中心火灾案例及结构抗火分析

2011年3月,某钢结构物流中心发生火灾,过火面积约7000m2,损失惨重。通过对该例火灾的起因、火势蔓延、结构倒塌进行分析,探讨钢结构建筑防火设计和结构抗火措施。研究结果表明:①钢结构因本身抗火性能差,易垮塌,不利于火灾扑救;②在火灾中钢结构易整体破坏,造成重大损失;③由于未采取防火分隔,扩大了火灾蔓延途径和过火面积,加剧了火灾损失,也加大了火灾扑救难度。为了减轻火灾损失,应当:①合理设置防火分隔;②提高或保证钢柱、钢梁的耐火极限,以提升结构抗火能力;③加强对钢构件和结点的防火保护;④保证自动喷水灭火系统的正常运行,有效实施初期灭火。     

油罐车火灾下钢-混凝土组合梁桥结构响应研究

采用数值模拟方法,研究钢-混凝土组合梁式公路桥在大型车辆火灾下的结构响应,考察桥梁形式、火灾工况及荷载比的影响。首先以规范给定的烃类火灾升温曲线及CFD模拟实际油罐车火灾所得到的升温曲线作为温度边界条件,用ABAQUS建立了8个有限元模型进行计算,得出了构件内部温度场,发现实际火灾下斜交桥受火跨最高温度低于正交桥的,但整体温度更高;实际火灾较规范火灾下结构升温更快,最高温度更高;随后以受火升温结果作为温度荷载,通过恒载升温分析,考察了共计18个案例的结构响应,发现正交桥和斜交桥在火灾下的破坏模式有较大差别,前者出现不适于继续承载的变形,同时伴随着远端支座腹板屈曲的局部破坏,而后者主要体现为远端支座腹板严重屈曲;最后提出了针对钢-混凝土组合梁桥抗火措施和设计思路的建议。     

钢筋桁架装配式密肋楼盖火灾行为试验研究∗

为适应当前装配式建筑发展需求,提出了一种新型装配式密肋楼盖体系,该楼盖由预制钢筋桁架现场拼装形成钢筋骨架,纵横向钢筋桁架节点处采用特制螺栓连接件形成整体,并利用预制物理发泡轻质混凝土块作为填充物,置于相邻桁架之间起到隔热保温效果,在钢筋桁架和泡沫混凝土块上方铺设预制钢筋网,现场浇筑高流动混凝土形成楼盖肋梁和面层结构。同时,研发了与该装配式楼盖匹配应用的条带式、可循环使用的铝合金模板,避免了满堂模板布设,该楼盖具有节省自重、轻质高强、装配便捷的特点。为掌握该楼盖在火灾(高温)下的性能,对两块该楼盖试件进行自然火灾试验,研究了不同区格条件下混凝土温度场分布、钢筋温度、裂缝模式等火灾行为,试验结果发现,两个试件在均布荷载下经历了 2 h 的火灾作用后,楼盖结构未发生任何严重损伤,泡沫混凝土块未脱落, 具有良好的抗火性能,能够满足现行规范对楼盖耐火极限要求。在火灾作用下沿肋板厚存在非线性温度场和较大的温度梯度,且越靠近板底温度梯度越大;与炉温相比,混凝土和钢筋均存在明显的温度滞后效应。采用有限元软件 ABAQUS 建立了该楼盖的温度场模型,模拟分析结果与试验进行对比,二者吻合较好,验证了温度场模型的有效性,能够为预测火灾(高温)下该楼盖的性能提供技术支撑。     

Himawari-8静止气象卫星草原火监测分析

Himawari-8(向日葵8号)静止气象卫星具有高空间分辨率、高观测频次和高时效特点,在草原火灾监测具有很强优势。提出利用Himawari-8数据的自适应阈值火点监测算法,并以2016年4月内蒙古自治区呼伦贝尔市边界境外草原火灾为例,重点利用19~20日的22个小时期间的132个时次Himawari-8数据,对火情进行连续动态监测。结果显示,本次火灾共持续22 h,过火区域约1 500km2,火点像元最长持续时间约6 h。通过分析多时次连续观测影像和火点信息可知,火场在一段时间内从西向东的蔓延速度为5.4 km/h,达到急进地表火程度。分析表明,Himawari-8的10 min一次密集观测频次可实现快速获取火点位置、面积、温度等火情信息。可跟踪火场动态发展变化,估算火场蔓延速度和方向以及确定火场类型,提高卫星遥感草原火监测和预警能力。