安全文化網(wǎng) m.zltai.com 　　【摘 要】在較長(zhǎng)時(shí)間的滅火戰(zhàn)斗中，火場(chǎng)指揮員面臨的最大問(wèn)題是被困人員和消防隊(duì)員會(huì)不會(huì)受到建筑物垮塌帶來(lái)的危險(xiǎn)，為此，我們有必要計(jì)算該受火建筑在火的作用下結(jié)構(gòu)會(huì)不會(huì)產(chǎn)生變化。要計(jì)算該受火建筑的建筑構(gòu)件在非標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線下的力學(xué)性能是非常困難的，本文巧妙地利用川越模型，把非標(biāo)準(zhǔn)溫升狀態(tài)下的建筑構(gòu)件耐火極限轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線下的耐火極限，只需查建筑構(gòu)件耐火極限數(shù)值表就可快速估算出建筑物的垮塌時(shí)間，從而幫助火場(chǎng)指揮員做出正確決策。　
　　
　　【關(guān)鍵詞】：建筑構(gòu)件；垮塌；耐火極限；估算
　　
　　1. 引言
　　
　　也許大家還清楚地記得，2003年11月3日5時(shí)39分，湖南省衡陽(yáng)市珠暉區(qū)衡州大廈一幢天井式的8層商住樓起火！
　　
　　衡陽(yáng)市特勤消防中隊(duì)、雁峰區(qū)消防中隊(duì)、石鼓區(qū)消防中隊(duì)12臺(tái)消防車、160多名消防官兵火速趕到現(xiàn)場(chǎng)，一場(chǎng)生死較量隨即拉開了序幕，正當(dāng)消防官兵一步步推進(jìn)，準(zhǔn)備展開徹底撲滅燒得最厲害的一層倉(cāng)庫(kù)的戰(zhàn)斗時(shí)，“轟”地一聲沉悶的巨響響起。頃刻，樓房墜地，塵土、碎片砸向四周……20名消防官兵倒在廢墟里……還有美國(guó)世貿(mào)大廈坍塌的災(zāi)難也還歷歷在目，由火災(zāi)主導(dǎo)的大型建筑結(jié)構(gòu)破壞并坍塌的案例已經(jīng)引起國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注，有關(guān)機(jī)構(gòu)迅速開展了相應(yīng)的對(duì)策研究，尋求合理有效的方法來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)自身的抵抗火災(zāi)影響的能力。通過(guò)對(duì)建筑的研究得到在普通火災(zāi)和極端火災(zāi)條件下，該建筑的主要承重構(gòu)件到達(dá)危險(xiǎn)極限的時(shí)間，從而對(duì)重點(diǎn)部位有針對(duì)性的進(jìn)行保護(hù)，避免發(fā)生惡性事故或是減少發(fā)生事故后的修復(fù)時(shí)間及費(fèi)用。或是在無(wú)法對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行保護(hù)的狀況下，為搶險(xiǎn)救援人員提供該建筑達(dá)到危險(xiǎn)狀況的臨近時(shí)間，避免造成不必要的人員傷亡。
　　
　　2. 溫度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響
　　
　　建筑物在高溫作用下，建筑構(gòu)件力學(xué)性能將迅速變壞，乃至失去支撐或隔斷能力，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，要計(jì)算該受火建筑的建筑構(gòu)件在非標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線下的力學(xué)性能是非常困難的，而且，我們也沒(méi)有更多的財(cái)力投入到實(shí)火試驗(yàn)中，因此，我考慮是否可以先從建筑構(gòu)件的耐火極限入手來(lái)分析整個(gè)建筑物失去完整性（垮塌）的時(shí)間。于是，我還想到了借助一些現(xiàn)成的數(shù)據(jù)（《建筑構(gòu)件耐火極限數(shù)據(jù)表》），但是大家知道，我國(guó)建筑構(gòu)件耐火極限的數(shù)值均是在標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線下測(cè)定出來(lái)的，而現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)生的火災(zāi)不可能完全按照標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線來(lái)燃燒。這樣，我們只需想辦法把非標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線的數(shù)值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線的數(shù)值問(wèn)題就解決了。
　　
　　下面我們就引入日本川越模型制成的設(shè)計(jì)火災(zāi)特性簡(jiǎn)易計(jì)算圖來(lái)作轉(zhuǎn)換。
　　
　　通過(guò)圖4-1，我們可以把普通火災(zāi)溫度——時(shí)間曲線等效為標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，這樣，
　　
　　我們就能夠得出等效的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，那么只要查建筑構(gòu)件耐火極限表就可以知道在對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)該構(gòu)件是否變形、垮塌。
　　
　　圖4-1 川越模型圖
　　
　　1、 川越模型有如下?lián)Q算公式
　　
　　Fo=∑Ab√H/At
　　
　　式中Fo——溫度系數(shù)
　　
　　Ab——開口面積m2
　　
　　H——開口高度m
　　
　　At——室內(nèi)總表面積m2
　　
　　在計(jì)算圖中Fo 值所對(duì)應(yīng)的曲線上，至上面求出的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的一段即為所求火
　　
　　災(zāi)溫度——時(shí)間曲線。
　　
　　2、等效火災(zāi)時(shí)間的轉(zhuǎn)換
　　
　　再圖上，與火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線相交且向右下傾斜的曲線，就是表示當(dāng)火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線和標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線等效時(shí)的等效火災(zāi)時(shí)間的。即在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間處與火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線相交的等效火災(zāi)時(shí)間曲線所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。
　　
　　例如：客廳火災(zāi)持續(xù)時(shí)間為5000 秒（83.3 分鐘）
　　
　　Fo=∑Ab√H/At=6√1.2/{2（7.16×3+8.21×3+7.16×8.21）}=0.031
　　
　　據(jù)此在圖中可求出83.3 分鐘分鐘等效火災(zāi)時(shí)間約為112 分鐘（1.87 小時(shí)）。
　　
　　那么，查建筑構(gòu)件耐火極限數(shù)據(jù)表就可以得知在耐火極限為1.87 小時(shí)以下的構(gòu)件
　　
　　將全部破壞，容易形成危險(xiǎn)。
　　
　　表4-6 建筑構(gòu)件耐火極限數(shù)據(jù)表（節(jié)選）
　　
　　從上表可以得知，在等效標(biāo)準(zhǔn)溫升火災(zāi)時(shí)間1.87 小時(shí)以后，諸如：墻厚60 普通粘土磚墻，鋼龍骨紙面石膏板隔墻，200
　　
　　號(hào)混凝土200×200 鋼筋混凝土柱，板厚90
　　
　　現(xiàn)澆鋼筋混凝土整體式梁板及普通門扇等構(gòu)件將全部破壞，在消防隊(duì)員滅火救援行動(dòng)中容易形成危險(xiǎn)。
　　
　　反過(guò)來(lái)，我們也可以根據(jù)研究對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)溫升耐火極限來(lái)判定在火災(zāi)發(fā)生多長(zhǎng)時(shí)間以后，消防隊(duì)員就不能夠進(jìn)入火場(chǎng)。例如，研究對(duì)象里面使用的是200
　　
　　號(hào)300×300 鋼筋混凝土柱，查表4-6 得知該鋼筋混凝土柱耐火極限為3.00 小時(shí)，也就是說(shuō)3.00
　　
　　小時(shí)以后該柱將遭到破壞而失去承載能力，我們還是取溫度系數(shù)Fo=0.031，查川越模型圖中對(duì)應(yīng)的曲線，約等于非標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)的138
　　
　　分鐘（2.3 小時(shí)），那么，在大火燒過(guò)138 分鐘（2.3 小時(shí)）以后將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，消防隊(duì)員最好撤離火場(chǎng)。
　　
　　3. 水荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響
　　
　　例如：火場(chǎng)過(guò)火面積800平方米，按照供水經(jīng)驗(yàn)值0.06來(lái)計(jì)算，則實(shí)際用水量為：
　　
　　Q=Aq=800×0.06=48 L/s
　　
　　以持續(xù)燃燒時(shí)間最長(zhǎng)的起火情況來(lái)計(jì)算供水時(shí)間（5000 秒），那么需要的總水量為：
　　
　　48 L/s×5000 s=240000 L=240t
　　
　　那么相當(dāng)于240
　　
　　噸水將被供到著火樓層，這讓我們不得不考慮水荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)加上房屋結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤下混凝土的強(qiáng)度大大降低，樓板可能承受不了那么大的額外重量產(chǎn)生垮塌，對(duì)消防人員產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此，我們?cè)诒匾�的時(shí)候應(yīng)在相應(yīng)樓層的外墻上鑿洞泄水，以防建筑物荷載增加過(guò)大。一般按照經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，如果積水深度達(dá)到100mm，那么就必須考慮泄水問(wèn)題。這應(yīng)當(dāng)引起我們消防火場(chǎng)指揮員的高度重視。案例：1996
　　
　　年6 月16 日16 時(shí)30 分, 某紡織城A 幢(6 層, 高27 m , 鋼混結(jié)構(gòu), 二級(jí)耐火等級(jí), 建筑面積1. 8萬(wàn)余m2,
　　
　　一層為倉(cāng)庫(kù), 其余各層為生產(chǎn)車間) , 因電氣線路短路打火花引燃棉花導(dǎo)致火災(zāi), 由于報(bào)警遲, 火勢(shì)迅速蔓延。公安消防部隊(duì)接警后,
　　
　　迅速調(diào)集消防力量前往撲救。次日4 時(shí), 大火被基本控制, 進(jìn)入滅余火階段。因滅火時(shí)噴了大量水, 使棉花包、棉布包荷載成倍增加,
　　
　　而且又進(jìn)去了幾百名職工翻包, 尤其是工程機(jī)械的劇烈震動(dòng), 導(dǎo)致A幢廠房于17 日14 時(shí)10 分坍塌, 造成93 人死亡,
　　
　　156人受傷的嚴(yán)重后果，教訓(xùn)極為深刻。雖然火災(zāi)中建筑結(jié)構(gòu)受到的各方面影響很多，不可能都被考慮周全，但依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及查閱參考文獻(xiàn)，我們提出以下保護(hù)要求：
　　
　　（1）按上述討論方法，可根據(jù)火災(zāi)荷載估算出火災(zāi)持續(xù)時(shí)間，那么運(yùn)用川越模型可估算出該受火建筑物中的主要建筑構(gòu)件破壞時(shí)間，從而得出該建筑物倒塌的大致時(shí)間，以避免不必要的傷亡。
　　
　　（2）如在二層以上樓層射水，應(yīng)隨時(shí)觀察樓面積水情況。如果積水深度達(dá)到100mm，應(yīng)在相應(yīng)樓層的外墻上鑿洞泄水，以防建筑物荷載增加過(guò)大而倒塌。
　　
　　（3）如果燃燒時(shí)間已達(dá)建筑構(gòu)件破壞時(shí)間，不可貿(mào)然派人登樓；建筑物內(nèi)人員撤到室外滅火，就近停靠的消防車應(yīng)撤到距著火建筑物稍遠(yuǎn)的地方，并作好隨時(shí)撤離準(zhǔn)備；
　　
　　（4）慎用“四面圍堵”戰(zhàn)術(shù)，應(yīng)“把火向外趕”并使通風(fēng)面積增大，雖然會(huì)使火勢(shì)加大，但火災(zāi)持續(xù)時(shí)間會(huì)縮短，從窗口散發(fā)的熱量多，建筑結(jié)構(gòu)的支持時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。
　　
　　（5）火場(chǎng)指揮部應(yīng)安排一名專職參謀密切觀察建筑物的變化，如發(fā)現(xiàn)傾斜、裂縫、異常聲響等一切建筑物可能倒塌的因素，隨時(shí)向火場(chǎng)指揮部提出撤離建議。
　　
　　圖4-2表明了轟燃與建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，并直接關(guān)系到內(nèi)部人員的生存。它從轟燃的角度來(lái)考慮轟燃時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，時(shí)間越長(zhǎng)建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越差，從而消防隊(duì)員受到的威脅就越大。
　　
　　這種方法討論的結(jié)果與前面討論的結(jié)果是一致的。
　　
　　圖4-2 轟燃與建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系
　　
　　4. 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　雖然，我們根據(jù)上面的方法得出的結(jié)論可以大致估計(jì)建筑物在火災(zāi)狀態(tài)下的破壞時(shí)間，但是需要引起注意的是：各建筑構(gòu)件并不等于建筑物整體本身，我們還應(yīng)當(dāng)考慮到框架結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)行為與未受約束的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)爐的單個(gè)構(gòu)件的受力性能是不同的，構(gòu)件間的相互作用也是標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)所不能模擬的，特別是鋼梁、柱與混凝土板等的組合結(jié)構(gòu)的相互作用無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來(lái)模擬估算。另外，混凝土在高溫時(shí)突然遇水槍沖擊冷卻水的“爆裂”效應(yīng)也不能忽視。這些問(wèn)題，今后我們還將作進(jìn)一步深入研究。 安全文化網(wǎng) m.zltai.com