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低温建筑技术 2 0 1 3 年第 8 期( 总第 1 8 2 期) 某钢筋混凝土仓库坍塌情况计算机模拟 王栋武 ( 福 建三明消防支 队。 福建三明8 6 5 0 0 0) 【 摘要】 笔者经历了某钢筋混凝土木材仓库火灾的扑救、 原因调查等工作， 收集了火灾相关技术资料， 对 火灾造成的坍塌情况进行了分析， 估算 了类似钢筋混凝土木材仓库坍塌的时间， 并对坍塌原因进行分析 ， 用 C F A S T火灾模拟软件对该火灾场景进行模拟， 将火灾现场情况与模拟的数据进行分析对 比， 得出了消防官兵在处 置类似火灾现场时应注意撤退的时间。 【 关键词】 消防； 钢筋混凝土； 坍塌； 分析 ； 计算机模拟 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 9 4 0 3 我国对钢筋混凝土火灾后的研究已经取得了一 定的成果且有的已经应用于工程实践， 但 尚处于较低 级阶段， 对建筑结构抗火性能的各种因素研究还无法 考虑周全， 且由于实验方法和设备的限制 ， 研究钢筋 混凝土抗火性能还无法完全应用于工程实际。笔者 经历了该起钢筋混凝土木材仓库火灾的扑救、 原因调 查、 责任追究等工作， 收集了火灾相关技术资料， 对火 灾造成的坍塌情况进行了分析 ， 以期对建筑火灾科学 研究具有积极的作用u 。 1 建筑基本情况 起火的建筑属于福建省三明市恒晟竹木业有限 公司， 公司位于三明市三元区新市南路3 0 5号， 坍塌的 木材 仓 库 东 西 长 5 2 5 m， 南 北 长 2 8 m， 占地 面 积 1 4 7 0m2 ，共 5层 ， 第一层层高7 5 m， 第二至五层每层层 高 6 m， 建筑总高度 3 1 5 m， 始建于 1 9 8 2年 ， 钢筋混凝 结构， 耐火等级二级。 该建筑有二个货梯 ， 一部外楼梯， 一部 内楼梯。 一 层放置机器和木板成品， 有一个配电房， 一杂物间， 一 电机仓库， 主要是压板和锯边。五层有 9个汞灯， 动 力线、 开关、 插座等都是八十年代安装的， 开关是老式 的拉线式开关 ， 3 8 0 V的动力线是蛇皮式 3 5 m m 的铝 线， 起火前开关设备等是通电的， 厂里有很多老鼠， 电 梯经常因为卡死老 鼠而停掉 ， 厂里用的胶水有添加一 些面粉 ， 因为有面粉， 所 以老鼠就很多。五层南侧木 板片材单片堆放高度有 3 m， 起火前 己堆放了 3个月 ， 总堆放单片体积5 0 0 m ， 每立方米有 0 6 5 t ， 计 3 2 5 t ， 三 层和四层都有3 2 5 t ， 北侧放生产胶合板用的纸， 五层墙 壁的插座只有 1 8 m高， 插座会被木材包在里面， 四层 和三层也是放单片， 二层为排芯车间， 堆放半成品单 片， 第三层为芯板车间， 第四层为面板车间， 起火的五 层的门窗等都是关闭的。 2火灾情况 2 0 0 9年 1 0月2 6日4时3 7分， 三明市三元区恒晟 竹木业有限公司发生火灾， 4时 4 2分五层东侧无火 光， 内部发生猛烈燃烧， 西南角二个窗户外吐火焰， 当 时风力 0级， 5时 2 0分有微风 1 级。起火时工厂处于 停产状态， 火灾过火面积 4 4 1 0 m 2 ， 烧毁对接机、 打洞 机、 铡刀、 钢板、 木材单片等 ， 无人员伤亡， 火灾直接财 产损失人民币2 6 7 9 9 0 4元 ， 起火原因为电气线路短路 引起， 灾害成因为火灾发现时间迟、 厂内室内消火栓 压力低 ， 厂内部份消防车通道被堵塞， 工厂疏于管理 旧电气线路， 厂房内堆积单片过多， 火灾荷载大， 造成 刚架方案。采用 S A P 2 0 0 0设计软件对该结构进行 了 受力分析， 获得组合内力与变形， 验证了体系和构件 截面选取 的合理性。据此进一步给出构筑物两端围 护、 墙檩的布置和柱脚构造措施， 最后给出组合刚架 的施工要点， 可为该类构筑物在各大城市驾校考试中 心推广应用提供理论依据。 参考文献 1 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 抗震结构设计规范 S 2 G B 5 0 0 1 0- 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 S 3 G B 5 0 0 1 2- 2 0 1 2 ， 钢结构设计规范 S 4 G B 5 0 0 1 3- 2 0 0 3 ， 结构荷载设计规范 S 5 陈昌宏 S A P 200 0结构工程案例分析 M 北京： 冶金工业出 版社， 2 0 1 0 收稿日期 2 0 1 3 0 4 0 1 作者简介 卢圣平( 1 9 7 6 一) ， 男， 湖北洪湖人， 大学本科， 工 程师， 主要从事建筑设计工作。 王栋武 ： 某钢筋混凝土仓库坍塌情况计算机模拟 9 5 火势蔓延迅速， 起火点为木材仓库五层西南角处。 3 坍塌情况 分析 3 1 起火建筑坍塌过程 起火建筑共发生四次坍塌 ， 6时 l 5分厂房第五层 发生坍塌 ， 6时 2 9分厂房第四层发生坍塌 ， 四层和五 层发生猛烈燃烧。7时 3 0分厂房第三层发生猛烈燃 烧 ， l 7时 4 5分厂房第三层南侧发生坍塌 ， 1 8时 1 3分 第三层西侧发生坍塌， 2 3时厂房仍处于燃烧状态。 3 2 火灾情况下钢筋混凝土构件内温度情况分析 只要钢筋没有屈服变形 ， 在构件中仍可 以利用。 高温后的钢筋， 通过水中冷却或 自然冷却 ， 其延伸率 与强度和加温前相比， 是会降低的。对于混凝土抗压 强度， 当温度不超过 3 0 0 C 时损失甚微 ， 超过 3 0 0 ( 2 ， 则 强度 明显 下 降， 达 到 8 0 09 0 0 时， 强 度将 完 全 丧失 引。 构件内部的温度按误差函数曲线分布时间范围， 随着时间的增长 ， 构件内部的温度逐渐趋于稳定， 构 件内部温度会按误差函数曲线分布的导热过程， 会受 时间限制， 超过该时间范围， 温度沿截面高度的分布 将逐渐成为稳定传热分布 ， 如表 1 所示。 表 1温度按误差函数曲线分布的构件升温时间范围 钢筋混凝土建筑经受火灾后 ， 高温作用对混凝土 的物理力学、 结构等性能将产生不利 的影响， 其程度 随升温速度的快慢、 受热时间长短、 构件所处位置的 不同等因素的影响 ， 其 因素较为复杂。对受灾后混凝 土的评估 ， 因为各地建材各异， 受灾情况各不相同， 目 前还没有一部专门针对火灾类鉴定的标准规范， 目前 所 采用 的检测 办法 是 否 能真 实 反 映混凝 土 结 构构 件 的受损状况也值得探讨， 所以 目前鉴定中较大程度上 是依据传统的经验 ， 波动性比较大 。 3 3 钢筋混凝土木材仓库坍塌时间估算 该坍 塌 的 钢筋 混凝 土 木材 仓 库 楼 板 厚 度 是 0 2 0 m， 五层、 四层、 三层平均每层都堆有 5 0 0 m 的木 材单片， 近 3 2 5 t 的木材可燃物 ， 该建筑于 4时 3 7分被 发现起火， 实际燃烧时间估计己有半个小时， 从 4时 7 分到第一次坍塌 6时 1 5分刚好是 2 h左右， 与表 1的 理论数据刚好吻合 ， 所以消防官兵在进行混凝土结构 建筑火灾的扑救过程中， 当建筑 内可燃物较多时， 一 定要把 握好 2 h这个 时间度。 4 坍塌原 因分析 火灾造成建筑坍塌的原 因主要有高温和外力作 用 、 附加荷载、 建筑违规设计、 施工、 使用等四个方面。 4 1 高温作用 钢结构在高温作用下， 会很快 出现塑性变化， 耐 火极 限大约只有 2 0 m i n ， 据 下文 的分析 ， 恒 晟公 司倒 塌 的建筑是 2 4 m i n ， 在高温作用下钢筋变成“ 面条” 一样， 随着局部 的破坏造成整体破环。砖石砌体受高温作 用会变形开裂， 硅酸盐砌块受高温作用会变得松散， 混凝土结构在高温下强度和预应力都会下降， 会在无 明显征兆的情况下发生坍塌。 4 2 冲击、 震动等外力作用 建筑上部构件的坍塌 ， 使下层楼板破坏， 另外消 防炮 、 水枪对承重结构的直接冲击也会造成建筑物的 倒塌， 在消防救火过程中， 有时需要对承重结构进行 破拆 ， 破拆的冲击会造成坍塌， 在清理火场时， 有时会 使用推土机、 挖掘机等工程车， 其也会对建筑造成震 动 ， 冲击 等。 4 3附加 荷载 三明恒晟公司倒塌的楼板荷载有 3 2 5 t 的木材单 片， 另还有对接机、 打洞机、 铡刀等机器设备， 同时上 部结构塌落到下面楼板上面 ， 楼层内的灭火积水无法 及时排除， 多种原 因导致建筑物荷载加大而破坏， 在 此类 火灾救援现场消 防官兵应 注意火 场 的排水 ， 同时 减少水渍损失等。 4 4 违规设计 、 施工 、 使 用起火 建筑 笔者参与几起建筑倒塌事故调查 ， 发现有的是 因 为设计时降低承重能力和耐火等级 ， 有的是违规增加 建筑层数和面积； 有的是在施工中偷工减料； 有的是 私自拆除原有的承重结构； 有的是改变建筑的使用功 能， 增加火灾荷载， 给建筑带来了隐患。 火灾造成建筑坍塌是一个复杂的过程 ， 坍塌的原 因远不只笔者以上所列 的四种， 坍塌原 因不是单一 的， 一般都是几个原因共同作用的结果。 5 坍塌情 况 C F A S T火灾软件模拟 火灾模拟试 验 是进 行混 凝 土结 构 防火 研究 的基 础 。由于火灾 情况 复 杂 ， 模 拟 试验 耗 资 巨大 ， 大量 进 行模拟试 验无 法 做到 。近年 来 随着计 算 机技 术 的迅 速发展， 使得用计算机模拟火灾实验成为可能 。 5 1 C F A S T火灾模拟软件简介 C F A S T是由美国国家标准与技术研究院( N I S T ) 研究 的一个有名 的火灾 双层 区域模 型 。C F A S T ( C o n s o l i d a t e F i r e A n d S m o k e T r a n s p o r t ) 是 “ 火灾发展和烟气 流动增强模 型” 的英 文缩 写 ， 其 可 以用来 预 测在设 定 的火源情况下建筑 内的火灾环境 ， 其可预测房间内上 部烟气层和下部空气层的温度、 烟层界面位置以及气 体浓度随时间的变化情况 ， 还可以计算墙壁表面的温 度、 通过壁面的传热以及通过开口的烟气质量流量等。 5 2 坍塌钢筋混凝 土建 筑的火 源参数 三明恒晟竹木业有限公司五楼火灾假设的火源 低温建筑技术 2 0 1 3 年第8 期( 总第 1 8 2 期) 参数如表 2所示。 表 2 三明恒晟竹木业有限公司五楼火灾 假设的火源参数 燃烧热 J g 初始 可燃物温度 火焰的辐射系数 环境条件 内部初始温度 外部初始温度 内外的初始相对湿度 内外压力 P a 2 9 6 o o O l 5 0 O 3 5 l 5 O 1 2 0 5 O 1 O1 3 2 5 5 3 火 场温度 的模拟 以表 2的数据输入 C F A S T火灾模拟软件， 可以得 到模拟火灾现场的温度随时间变化表， 如表 3所示， 将 表 3的数据转化图的形式， 如图 1 所示。 表 3 模拟火灾现场的温度随时问变化 时间序号 图1 温度 随时间变化曲线 5 4 现场情况与模拟数据的对比 分析 2 0 0 9年 1 0月 2 6 日三 明恒晟 竹 木业有 限公 司的火灾照片， 4时 4 2分西南角二个窗户外吐火焰 ， 火势仅在西南角， 5时 5 1 分钟火势蔓延至五楼的每个 角落， 五楼全面燃烧， 6时 l 5分五楼发生第一次坍塌， 从五楼全面燃烧至坍塌的发生用了2 4 rai n ， 与图 1温 度随时闻变化图里最高 温度 1 2 6 6 1 对应 的时问 1 4 4 0 s 一致。 从以上分析可以得出， 木材仓库钢筋混凝土建筑 当室内的可燃物处于全面猛烈燃烧时， 2 4 ra i n左右建 筑就会有发生坍塌的危险， 消防官兵在处置类似火灾 现场要注意掌握好这个撤退时间。 6 结语 因火灾引起的建筑坍塌是一种发生频率不高， 后 果却比较严重的事件， 一旦发生该类事故将给人们的 生命和财产安全造成巨大的损失， 火灾模拟软件通过 各种数学计算， 将各种可能的情况考虑进来 ， 但毕竟 火灾是一个非常复杂的过程， 模拟出来的数据只能作 为参考， 当前所进行 的砼建筑坍塌研究几乎都是只考 虑单个因素， 如表面烧损情况、 砼爆烈情况、 保护层脱 落情况等 】 。没有考虑各损伤因素的累积， 这种情况 的研究结果会与实际情况有一定的出入， 所以只有考 虑钢筋混凝土结构损伤各因素的综合影响， 才能更准 确地反映建筑结构性能的客观情况 】 ， 才能更好地预 测建筑物坍塌的时间， 才能更好地预防消防官兵伤亡 事故的发生。 参考文献 1 李忠， 李耀庄 钢筋混凝土结构火灾反应的研究 J 西部探矿 工程 ， 2 0 0 5 ， ( 2 ) 2 董毓利 ， 范维澄， 等 火灾后钢筋混凝土板的承载力计算与可 靠指标分析 J 火灾科学， 1 9 9 6 ， ( 9 ) 3 张福林， 冯志坚 钢筋混凝土构件在火灾高温作用下内部温度 分布的探讨 J 西部矿业学院学报， 1 9 9 4 ， ( 1 2 ) 4 林琳。 王功琴 某商住楼遭受火灾后结构影响鉴定分析 J 贵 州工业大学学报 ， 2 0 0 6， ( 4 ) 5 王栋武 烟热训练设施参数的计算机模拟 J 消防科学与技 术 ， 2 0 1 0 ， ( 6) 6 张福林 钢筋混凝土构件火灾后的受损评定【 J 武警学院学 报 ， 1 9 9 5， ( 4) 7 刘海霞， 银永明， 等 浅谈钢筋混凝土结构抗火设计 J 油气 田地面工程 ， 2 0 0 6 ， ( 7 ) 收稿 日 期】 2 0 1 3 一 o 6 2 7 【 作者简介 王栋武( 1 9 7 9一 ) ， 男， 福建仙游人， 硕士， 工程师 从事火灾事故调查、 灭火救援工作研究。