考虑木材燃烧效应的大空间体育馆木结构建筑火场升温模型研究

温 丽, 周 骏,王 璐

(1.江西省新余市仙女湖风景名胜区财政投资评审中心,江西 新余 338000;2.南京工业大学 土木工程学院, 江苏 南京 211800)

现代木结构是绿色建筑产业领域的重要组成部分,具有绿色生态、工业化程度高、健康宜居等特性,属于高性能土木工程结构,在结构、桥梁等领域具有广阔的应用前景[1-10]。发展现代木结构符合我国碳达峰、碳中和的国家战略。然而,木材为可燃材料,火灾作用下木结构失效及倒塌会导致严重的生命财产损失。因此,木结构建筑火灾的防范已经成为制约我国经济发展和社会安定的关键科技难题。近年来,新型工程木的发展极大地推动了现代木结构向多高层及大跨度方向发展。然而,由于火灾下大空间木结构建筑温度场的非均匀性以及倒塌破坏的严重性,在19世纪后期很长一段时间内都禁止建造大空间木结构,从而导致对大空间木结构建筑火灾性能劣化机制研究少、起步晚、数据积累明显不足,难以支撑标准规范的编制,无法指导工程的安全应用。

建筑火灾现象与其所在建筑空间的几何尺寸大小和建筑造型有关[11],采用如ISO834标准升温曲线的普通室内火灾属于空间的整体升温,火场各处的升温仅与时间有关,而大空间建筑火灾下空间各点温度不同,属于局部火灾,火场升温会随着时间、与火源垂直或水平距离的变化而发生改变[12-13]。然而,大空间木结构建筑火灾的火灾特性更具有特殊性,与钢筋混凝土构件相比,木构件在火灾的作用下会产生炭化层。在持续的热作用下会发生脱层,而脱落的未完全燃尽的炭化层会起到助燃的效果[14]。目前,《建筑钢结构防火技术规范》CECS200—2006[15]中的大空间建筑火场升温公式由火灾动力学模拟(FDS)软件回归分析得到,但该公式仅局限于单一火源燃烧状态。以大空间体育馆木结构建筑为研究对象,针对木构件的燃烧作用,即多点火源燃烧作用,考虑火源功率、热释放速率、建筑几何尺寸、与火源的距离和通风条件等各种因素的影响,建立了大空间体育馆木结构建筑火场升温模型。

1 大空间木结构建筑火灾表征

1.1 火灾特点

大空间建筑给人们的生产生活提供了更加广阔和合理的建筑使用空间,但是由于需要满足规范中所提出的使用功能要求,通常难以在大空间内部设置防火防烟分区,因此与普通室内火灾相比,具有火势蔓延迅速、火势难以及时发现、人员疏散难度大等诸多特点。

1.2 火灾表征参数

1.2.1 火灾荷载

火灾荷载,是研究火灾全面发展阶段的一个重要因素,同时也是定量描述火灾严重程度的重要指标,它与所有可燃物的燃烧热值与燃烧数量相关,其燃烧热值多通过“氧弹量热计方法”[16]测得。而对于大空间木结构建筑,除木构件外,可燃物的种类多样,不同材料燃烧时的发热量也有所不同,火灾荷载密度可更好地描述受火面积与火灾荷载之间的关系,用着火区域内的释热能与建筑面积的比值来表示。

1.2.2 火灾增长类型

火源的设计包含热释放率、形状、体积等,对建筑空间内部火势规模和破坏起决定性作用的是火灾的增长类型,其对火灾蔓延情况、烟气的流动、烟气层的上升与下降、温度等参数起决定作用[17]。火灾的增长类型与火源的选取相关,主要有三类:稳态火源、非稳态火源和自定义火源[18]。然而大空间木结构建筑火灾多属于非稳态火源的t2-火灾发展模型,火灾的发生和发展过程包括引燃阶段、快速增长阶段、稳定燃烧阶段和缓慢衰退阶段,偏于安全性,只考虑火灾的快速增长阶段,以抛物线方程来表示,如式(1)所示。

Q=αt2

(1)

式中:Q为热释放速率,kW;α为火源功率增长系数,kW/s2;t为燃烧物燃烧持续时间,s。

火源功率增长系数有四类,分别是慢速火、中速火、快速火和超快速火。考虑到木结构构件是可燃材料,但是木材的导热性能较低,在燃烧后会形成炭化层,在一定程度上阻碍热量的向内传递,从而减缓未燃烧木材的燃烧速度,因此将火源功率增长系数定为快速火。

1.2.3 火灾持续时间

大空间建筑火灾的发生和发展是一个十分复杂的过程,火灾发生初期是有效控制火灾的最好阶段。但是当火灾进入快速发展阶段时,主动防火措施仅能延缓火势的蔓延,安装防火板、增大截面积等对火灾的控制作用得以体现,从而保证结构具有足够的耐火极限,不至于发生倒塌等现象,为人员疏散和消防救援提供更多的时间。被动防火,对于重型木结构来说,考虑到木材燃烧后外围炭化层延缓火焰侵入内部的作用,通过增大构件截面积可以有效保证足够的耐火极限;对于轻型木结构,可通过安装防火石膏板,建立防火分区有效保证足够的耐火极限。因此,无论重型木结构还是轻型木结构,火灾的持续时间可以偏于安全地按照7 200 s来设定。

1.2.4 防火分区

为满足建筑物的防火要求及减缓火势的蔓延速度,需按照规定设置一定区域的防火分区。现有国家规范《建筑设计防火规范》GB50016—2014(2018版)[19]对各种木结构建筑的允许层数和允许建筑高度作出了明确的规定,同时,规范中还对防火分区间的允许建筑长度与每层最大允许建筑面积进行了详细的划分。对于大空间体育馆建筑来说多为一层,此时允许的最大建筑面积为1 800 m2,且当为胶合木结构建筑时,不限建筑高度。因此,依据大空间建筑的定义,将建筑高度限定在6～20 m,建筑面积取为500～2 000 m2。

2 大空间木结构建筑火场升温模型

2.1 温度非定场简化

大空间建筑火场温度呈现非均匀变化,且当高度确定时,在水平方向上,大空间建筑的火场温度沿火源点呈现极对称分布。因此,火源可采用点火源模型(图1),将三维温度非定场T(x,y,z,t)简化,此时在同一高度内,以火源中心为圆心,以与火源的距离为半径的各点处温度相同,得到二维温度非定场T(x,z,t),如图2所示。将空间几何坐标r投影在水平方向上设为x,垂直方向上设为z。

图1 点火源模型Fig.1 Ignition source model

图2 温度非定场模型Fig.2 Non-stationary temperature model

2.2 火灾场景设计

依据1.2节对于大空间建筑火灾表征参数的分析,采用时间平方火(αt2型)(Q=αt2,其中α以快速火取值),建筑面积为500～2 000 m2,建筑高度为6～8 m。在《建筑钢结构防火技术规范》CECS200—2006[15]中对于火源功率有规定,将其分为小、中、大火源功率3类,见表1。因此,火源功率Q分别取为2、5、25 MW。

表1 火源功率类型Table 1 Types of fire source power

为将火灾中木构件的燃烧效应考虑在内,考虑最不利的燃烧状况,在火源中心设置1根横截面积为1 m×1 m的木柱,木柱高度与建筑高度等同,如图3所示,同时在空间内部布置温度测点。在大部分情况下,大空间建筑火灾属于燃料控制型火灾,而普通室内火灾为通风控制型火灾[20],为保证燃料充分持续的燃烧,在模型中设置通风口,通风口设置在建筑周边的底部,尺寸均为2 m×10 m。升温影响参数见表2,总计288例火灾模型。

图3 火灾数值模型Fig.3 Fire numerical model

表2 升温影响参数Table 2 Parameters of affecting heating

3 火场升温计算公式

3.1 基本公式建立

在《建筑钢结构防火技术规范》CECS200—2006[15]中提出了大空间建筑火场升温的经验公式,参照其形式,以建筑高度、建筑面积、时间为主要参考因素建立适用于大空间木结构建筑火场的升温公式,结果见式(2)。

(2)

3.2 最高升温表达式

火场的最高温度的取值对整个大空间建筑火灾的升温公式具有至关重要的作用,其与火源功率、建筑面积、建筑高度以及助燃物的热释放率等因素相关。助燃物的增加会导致稳定阶段火场的最高温度增加,即火场的最高升温与助燃物的释热率呈正相关关系。

最高火场升温与建筑高度和火源功率呈正相关,与建筑面积呈负相关关系。图4为建筑高度对火场最高升温的影响。图4表明,建筑高度对于火场最高升温的影响成线性变化,即建筑高度每增加2 m,则火场的最高升温约增加50 ℃。图5为建筑面积对火场最高升温的影响。由图5可知,建筑面积对火场最高升温的影响呈现非线性变化,随着建筑面积的增加,火场最高升温的变化逐渐减小,稳定阶段时,1 500与2 000 m2的最高温度仅相差20 ℃。图6为火源功率对火场最高升温的影响。图6表明,火源功率对于火场最高升温的变化具有一定影响,由于小功率火源与中功率火源的火源功率相近,因此差距较小,但与大功率火源有较大的不同。据此,可建立大空间木结构建筑火场最高升温的表达式,结果见式(3)。

图4 建筑高度对火场最高升温的影响Fig.4 Effects of building height on maximum air temperature

图5 建筑面积对火场最高升温的影响Fig.5 Effects of building area on maximum air temperature

图6 火源功率对火场最高升温的影响Fig.6 Effects of fire source power on maximum air temperature

(3)

火源功率Q由火场的火源功率Qf与木构件的燃烧效应Qw组成,结果见式(4)。

Q=Qf+Qw

(4)

式中:Qf为火场的火源功率,MW;Qw为木构件的燃烧效应,MW,可由式(5)计算。

Qw=4qwbH

(5)

式中:qw为单位热释放速率峰值平均值,MW/m2;b为木构件截面宽度,此处取值为1 m。

木构件的燃烧效应与木构件的单位热释放速率、受火面数以及木构件的受火面积相关,为偏于安全的计算,考虑受火面数最多的情况(四面受火),此时木构件的燃烧效应仅与单位热释放速率及受火面积两个因素相关。

木材的热释放速率呈现典型的双峰型,在初始阶段,随着温度的增加,木材的表面开始热解从而释放出大量热,此时材料外表面与内部热界面之间会形成炭化层,炭化层具有一定的厚度,在一定程度上会阻碍热量向内部传递。随着燃烧的持续进行,炭化层被破坏,木构件与空气的接触面增加,产生了第2个波峰[21]。然而,由于不同种木材的燃烧性能不尽相同,若无法形成一个统一的标准,则会对大空间木结构建筑火场升温公式的推导带来很大的不便,因此需对其热释放速率进行简化。在7 200 s的火灾中为偏于安全的考虑结构设计,忽略木构件在热解过程中出现的双波峰阶段,将其单位热释放速率取最大值qw=200 kW/m2,同时考虑其他可燃物的影响,将火源热释放速率设置为3种(表2)。

采用Matlab软件编程,对数据进行拟合,将容许最大误差设定为10%,最终得到式(6)。在288个数据当中仅有38个数据超过了误差10%。超出误差范围的数据多集中在火源功率为2 MW且建筑高度为6和8 m时,且建筑面积越大,误差的范围越大。其原因主要是火源功率较小,建筑面积面积较大,此时大空间的温度受通风作用的影响较明显,顶棚最高温度的波动较大导致。

(6)

3.3 高度修正函数

在火羽流中心线上,沿顶棚向下4 m范围内火场温度的分布如图7所示。由图7中可知,温度近似呈傅里叶分布,通过数据拟合,得到式(7)。

图7 羽流中心线温度分布Fig.7 Plume midline temperature distribution

(7)

3.4 时间修正函数

由3.2节可知,呈轴对称分布的火灾烟气羽流在浮力的作用下不断上升,并在顶棚区域沿水平方向向外扩散,在火源被点燃之后,火灾的前期呈现αt2型,温度急剧上升,随着火灾的持续进行,温度趋于恒定,该恒定值即为稳定阶段的最高温度,该温度随时间的变化以及修正可以通过式(8)得到。

f(t)=1-0.1e-μt-0.9e-λμt

(8)

式中:λ、μ分别为与火源功率和火灾增长类型均相关的参数(表3);t为燃烧时间,s。

表3 λ及μ系数取值Table 3 Values of coefficients λ and μ

图8为时间修正由线，反映了时间滞后的现象,当火源功率较小时,受到大空间的影响,其温度的上升波动较大,随着火源功率的逐渐增加,时间滞后函数与模拟数据能够较好地契合。在火灾开始阶段,拟合函数的温度大于模型中测得的温度,其主要原因是拟合函数是一个近似拟合,模型中的温度上升较为缓慢。

图8 时间修正曲线Fig.8 Correction curves of time

3.5 距离修正函数

通过比较普通大空间建筑火灾和大空间木结构建筑火灾的火灾情况,火场温度自羽流中心线沿顶棚向外均呈指数式衰减,如图9～11所示。图9(a)和9(b)表明,在不同火源功率下,其温度衰减的趋势几乎相同;而由图10与图11可知,温度随距离修正系数与建筑面积和建筑高度相关。《建筑钢结构防火技术规范》CECS—2006[15]中对修正系数进行了描述,结果见式(9),其值对于木结构也同样适用,结果见表4。

图9 建筑高度不同时温度随距离的衰减Fig.9 Attenuation of temperature with distance at different heights

图10 建筑面积不同时温度随距离的衰减Fig.10 Attenuation of temperature with distance at different areas

图11 火源功率不同时温度随距离的衰减Fig.11 Attenuation of temperature with distance at different fire source powers

表4 衰减系数ηTable 4 Values of attenuation coefficient η

(9)

4 对比与分析

基于第3节可知,大空间木结构建筑火场升温表达式见式(10),并具有一定的使用条件:1)单一着火区域,由单一着火区域引起的多点火源燃烧;2)最不利燃烧情况,木构件直接受到着火区域的影响;3)除直接受火木构件，在火焰辐射影响范围内无其余木构件。

国内外对于火场升温曲线的表达方式主要有3种,分别是ISO834标准升温曲线,欧洲规范中规定的外部火灾曲线[22]以及国内提出的大空间建筑火灾升温曲线[23]。其中ISO834标准升温曲线未考虑火源功率和建筑几何尺寸等因素对其的影响,温度仅与时间相关,结果见式(11);欧洲规范中的外部火灾曲线与ISO834曲线相类似,但设立了最高温度,见式(12);国内提出的大空间建筑火灾升温曲线对ISO834中未考虑的因素做了分析,但忽略了多点火源燃烧的影响,结果见式(13)。

图12比较了建筑面积为1 000 m2、建筑高度为12 m、火源功率为5 MW、燃烧时间为7 200 s时各曲线之间的异同。相同之处在于各曲线均有明显的温度增长阶段,除ISO834标准升温曲线外,其余各曲线在温度增长后在很长的一段时间内会保持恒定,即为稳定阶段,且在增长阶段至稳定阶段的过程中,温度上升具有明显的时间滞后现象。

不同之处在于ISO834标准升温曲线仅适用于小室火灾,整个空间内部的火场升温幅度均相同,随着时间的推移,其温度逐渐增高,无法到达稳定阶段,这与大空间建筑火灾的实际情况不相吻合。

欧洲规范中的外部火灾曲线同样也仅考虑了时间对于其升温的影响,且设置了最高温度为680 ℃,然而在大空间木结构建筑火灾中,火灾的发展状况与火源功率、燃烧物类型、建筑面积和建筑高度等因素均相关。

现有的大空间建筑火场升温曲线虽然考虑了多种参数的影响,且也满足时间滞后性,但是普通的大空间建筑与木结构的大空间建筑具有很大的不同,木材是易燃材料,其燃烧效应会使空间温度上升得更快和更高,当木构件被点燃并开始燃烧时,此时火场就由单点火源燃烧转变为多点火源燃烧。从图12中也可以看出,木构件的燃烧效应十分明显,超过了普通大空间建筑火灾的2倍,若使用现有火场升温公式对木结构大空间建筑进行防火设计,势必会影响建筑设计的安全性。

图12 不同火场升温曲线之间的对比Fig.12 Comparison between different air heating curves

(10)

T834(t)=TR+345lg(8t+1)

(11)

Tout(t)=TR+660(1-0.687e-0.32t-0.313e-3.8t)

(12)

Tlar(t)=TR+Tz[1-0.8e-βt-0.2e-0.1βt]·

(13)

式中:T834(t)为ISO834标准火灾模型,Tout(t)欧洲规范中为外部火灾模型,Tlar(t)为国内大空间火灾模型,Tz为从火源中心距地面垂直距离z处的最高空气升温,℃;β为系数，由试验确定。

5 结论

依据3种火源功率、3种单位热释放速率、4种建筑面积和8种建筑高度进行火灾场景设计,以288例FDS火场升温模型数据为支撑,建立了适用于大空间木结构建筑火场的升温模型。分析结果表明,在不同火源功率的作用下,火场各处升温与火灾时间、最高温度、距火源的水平和垂直距离相关。由于忽略火灾增长、稳定和衰退这3阶段中的最后阶段,当火源被点燃之后,温度呈αt2型急剧上升,随着时间的增加趋于稳定。火场的最高升温与建筑高度和火源功率呈正相关,建筑高度每增加2 m,则火场的最高升温约增加50 ℃,与建筑面积呈负相关,在稳定阶段时,1 500 m2以上建筑面积的最高温度差值不明显。提出的火场升温模型更适用于大空间木结构建筑,与ISO834标准升温曲线和欧洲外部火灾曲线相比,考虑了火源功率、建筑面积、建筑高度的影响,与大空间建筑火场升温相比,考虑了木构件在火灾中的助燃作用,更加符合实际工程,为后续受火后木构件的温度场分析提供理论基础。