火灾中建筑物垮塌时间的估算研究
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【摘 要】在较长时间的灭火战斗中，火场指挥员面临的最大问题是被困人员和消防队员会不会受到建筑物垮塌带来的危险，为此，我们有必要计算该受火建筑在火的作用下结构会不会产生变化。要计算该受火建筑的建筑构件在非标准温升曲线下的力学性能是非常困难的，本文巧妙地利用川越模型，把非标准温升状态下的建筑构件耐火极限转换成标准温升曲线下的耐火极限，只需查建筑构件耐火极限数值表就可快速估算出建筑物的垮塌时间，从而帮助火场指挥员做出正确决策。
【关键词】：建筑构件；垮塌；耐火极限；估算
1. 引言
也许大家还清楚地记得，2003年11月3日5时39分，湖南省衡阳市珠晖区衡州大厦一幢天井式的8层商住楼起火！
衡阳市特勤消防中队、雁峰区消防中队、石鼓区消防中队12台消防车、160多名消防官兵火速赶到现场，一场生死较量随即拉开了序幕，正当消防官兵一步步推进，准备展开彻底扑灭烧得最厉害的一层仓库的战斗时，“轰”地一声沉闷的巨响响起。顷刻，楼房坠地，尘土、碎片砸向四周……20名消防官兵倒在废墟里……还有美国世贸大厦坍塌的灾难也还历历在目，由火灾主导的大型建筑结构破坏并坍塌的案例已经引起国际社会的广泛关注，有关机构迅速开展了相应的对策研究，寻求合理有效的方法来提高建筑结构自身的抵抗火灾影响的能力。通过对建筑的研究得到在普通火灾和极端火灾条件下，该建筑的主要承重构件到达危险极限的时间，从而对重点部位有针对性的进行保护，避免发生恶性事故或是减少发生事故后的修复时间及费用。或是在无法对重点部位进行保护的状况下，为抢险救援人员提供该建筑达到危险状况的临近时间，避免造成不必要的人员伤亡。
2. 温度对建筑结构的影响
建筑物在高温作用下，建筑构件力学性能将迅速变坏，乃至失去支撑或隔断能力，导致整个结构破坏，要计算该受火建筑的建筑构件在非标准温升曲线下的力学性能是非常困难的，而且，我们也没有更多的财力投入到实火试验中，因此，我考虑是否可以先从建筑构件的耐火极限入手来分析整个建筑物失去完整性（垮塌）的时间。于是，我还想到了借助一些现成的数据（《建筑构件耐火极限数据表》），但是大家知道，我国建筑构件耐火极限的数值均是在标准温升曲线下测定出来的，而现实生活中发生的火灾不可能完全按照标准温升曲线来燃烧。这样，我们只需想办法把非标准温升曲线的数值转换成标准温升曲线的数值问题就解决了。
下面我们就引入日本川越模型制成的设计火灾特性简易计算图来作转换。
通过图4-1，我们可以把普通火灾温度——时间曲线等效为标准温升曲线，这样，
我们就能够得出等效的标准温升曲线所对应的时间，那么只要查建筑构件耐火极限表就可以知道在对应的时间内该构件是否变形、垮塌。
图4-1 川越模型图
1、 川越模型有如下换算公式
Fo=∑Ab√H/At
式中Fo——温度系数
Ab——开口面积m2
H——开口高度m
At——室内总表面积m2
在计算图中Fo 值所对应的曲线上，至上面求出的火灾持续时间的一段即为所求火
灾温度——时间曲线。
2、等效火灾时间的转换
再图上，与火灾温度-时间曲线相交且向右下倾斜的曲线，就是表示当火灾温度-时间曲线和标准升温曲线等效时的等效火灾时间的。即在火灾持续时间处与火灾温度-时间曲线相交的等效火灾时间曲线所对应的时间。
例如：客厅火灾持续时间为5000 秒（83.3 分钟）
Fo=∑Ab√H/At=6√1.2/{2（7.16×3+8.21×3+7.16×8.21）}=0.031
据此在图中可求出83.3 分钟分钟等效火灾时间约为112 分钟（1.87 小时）。
那么，查建筑构件耐火极限数据表就可以得知在耐火极限为1.87 小时以下的构件
将全部破坏，容易形成危险。
表4-6 建筑构件耐火极限数据表（节选）
从上表可以得知，在等效标准温升火灾时间1.87 小时以后，诸如：墙厚60 普通粘土砖墙，钢龙骨纸面石膏板隔墙，200
号混凝土200×200 钢筋混凝土柱，板厚90
现浇钢筋混凝土整体式梁板及普通门扇等构件将全部破坏，在消防队员灭火救援行动中容易形成危险。
反过来，我们也可以根据研究对象的标准温升耐火极限来判定在火灾发生多长时间以后，消防队员就不能够进入火场。例如，研究对象里面使用的是200
号300×300 钢筋混凝土柱，查表4-6 得知该钢筋混凝土柱耐火极限为3.00 小时，也就是说3.00
小时以后该柱将遭到破坏而失去承载能力，我们还是取温度系数Fo=0.031，查川越模型图中对应的曲线，约等于非标准火灾的138
分钟（2.3 小时），那么，在大火烧过138 分钟（2.3 小时）以后将对建筑结构产生影响，消防队员最好撤离火场。
3. 水荷载对建筑结构的影响
例如：火场过火面积800平方米，按照供水经验值0.06来计算，则实际用水量为：
Q=Aq=800×0.06=48 L/s
以持续燃烧时间最长的起火情况来计算供水时间（5000 秒），那么需要的总水量为：
48 L/s×5000 s=240000 L=240t
那么相当于240
吨水将被供到着火楼层，这让我们不得不考虑水荷载对建筑结构的影响，同时加上房屋结构在长时间的高温烘烤下混凝土的强度大大降低，楼板可能承受不了那么大的额外重量产生垮塌，对消防人员产生危险，因此，我们在必要的时候应在相应楼层的外墙上凿洞泄水，以防建筑物荷载增加过大。一般按照经验来说，如果积水深度达到100mm，那么就必须考虑泄水问题。这应当引起我们消防火场指挥员的高度重视。案例：1996
年6 月16 日16 时30 分, 某纺织城A 幢(6 层, 高27 m , 钢混结构, 二级耐火等级, 建筑面积1. 8万余m2,
一层为仓库, 其余各层为生产车间) , 因电气线路短路打火花引燃棉花导致火灾, 由于报警迟, 火势迅速蔓延。公安消防部队接警后,
迅速调集消防力量前往扑救。次日4 时, 大火被基本控制, 进入灭余火阶段。因灭火时喷了大量水, 使棉花包、棉布包荷载成倍增加,
而且又进去了几百名职工翻包, 尤其是工程机械的剧烈震动, 导致A幢厂房于17 日14 时10 分坍塌, 造成93 人死亡,
156人受伤的严重后果，教训极为深刻。虽然火灾中建筑结构受到的各方面影响很多，不可能都被考虑周全，但依据经验及查阅参考文献，我们提出以下保护要求：
（1）按上述讨论方法，可根据火灾荷载估算出火灾持续时间，那么运用川越模型可估算出该受火建筑物中的主要建筑构件破坏时间，从而得出该建筑物倒塌的大致时间，以避免不必要的伤亡。
（2）如在二层以上楼层射水，应随时观察楼面积水情况。如果积水深度达到100mm，应在相应楼层的外墙上凿洞泄水，以防建筑物荷载增加过大而倒塌。
（3）如果燃烧时间已达建筑构件破坏时间，不可贸然派人登楼；建筑物内人员撤到室外灭火，就近停靠的消防车应撤到距着火建筑物稍远的地方，并作好随时撤离准备；
（4）慎用“四面围堵”战术，应“把火向外赶”并使通风面积增大，虽然会使火势加大，但火灾持续时间会缩短，从窗口散发的热量多，建筑结构的支持时间会延长。
（5）火场指挥部应安排一名专职参谋密切观察建筑物的变化，如发现倾斜、裂缝、异常声响等一切建筑物可能倒塌的因素，随时向火场指挥部提出撤离建议。
图4-2表明了轰燃与建筑物结构稳定性的关系，并直接关系到内部人员的生存。它从轰燃的角度来考虑轰燃时间对结构产生的影响，时间越长建筑物结构稳定性越差，从而消防队员受到的威胁就越大。
这种方法讨论的结果与前面讨论的结果是一致的。
图4-2 轰燃与建筑物结构稳定性的关系
4. 结束语
虽然，我们根据上面的方法得出的结论可以大致估计建筑物在火灾状态下的破坏时间，但是需要引起注意的是：各建筑构件并不等于建筑物整体本身，我们还应当考虑到框架结构的整体结构行为与未受约束的标准试验炉的单个构件的受力性能是不同的，构件间的相互作用也是标准火灾试验所不能模拟的，特别是钢梁、柱与混凝土板等的组合结构的相互作用无法用标准试验来模拟估算。另外，混凝土在高温时突然遇水枪冲击冷却水的“爆裂”效应也不能忽视。这些问题，今后我们还将作进一步深入研究。 安全文化网 www.anquan.com.cn
【关键词】：建筑构件；垮塌；耐火极限；估算
1. 引言
也许大家还清楚地记得，2003年11月3日5时39分，湖南省衡阳市珠晖区衡州大厦一幢天井式的8层商住楼起火！
衡阳市特勤消防中队、雁峰区消防中队、石鼓区消防中队12台消防车、160多名消防官兵火速赶到现场，一场生死较量随即拉开了序幕，正当消防官兵一步步推进，准备展开彻底扑灭烧得最厉害的一层仓库的战斗时，“轰”地一声沉闷的巨响响起。顷刻，楼房坠地，尘土、碎片砸向四周……20名消防官兵倒在废墟里……还有美国世贸大厦坍塌的灾难也还历历在目，由火灾主导的大型建筑结构破坏并坍塌的案例已经引起国际社会的广泛关注，有关机构迅速开展了相应的对策研究，寻求合理有效的方法来提高建筑结构自身的抵抗火灾影响的能力。通过对建筑的研究得到在普通火灾和极端火灾条件下，该建筑的主要承重构件到达危险极限的时间，从而对重点部位有针对性的进行保护，避免发生恶性事故或是减少发生事故后的修复时间及费用。或是在无法对重点部位进行保护的状况下，为抢险救援人员提供该建筑达到危险状况的临近时间，避免造成不必要的人员伤亡。
2. 温度对建筑结构的影响
建筑物在高温作用下，建筑构件力学性能将迅速变坏，乃至失去支撑或隔断能力，导致整个结构破坏，要计算该受火建筑的建筑构件在非标准温升曲线下的力学性能是非常困难的，而且，我们也没有更多的财力投入到实火试验中，因此，我考虑是否可以先从建筑构件的耐火极限入手来分析整个建筑物失去完整性（垮塌）的时间。于是，我还想到了借助一些现成的数据（《建筑构件耐火极限数据表》），但是大家知道，我国建筑构件耐火极限的数值均是在标准温升曲线下测定出来的，而现实生活中发生的火灾不可能完全按照标准温升曲线来燃烧。这样，我们只需想办法把非标准温升曲线的数值转换成标准温升曲线的数值问题就解决了。
下面我们就引入日本川越模型制成的设计火灾特性简易计算图来作转换。
通过图4-1，我们可以把普通火灾温度——时间曲线等效为标准温升曲线，这样，
我们就能够得出等效的标准温升曲线所对应的时间，那么只要查建筑构件耐火极限表就可以知道在对应的时间内该构件是否变形、垮塌。
图4-1 川越模型图
1、 川越模型有如下换算公式
Fo=∑Ab√H/At
式中Fo——温度系数
Ab——开口面积m2
H——开口高度m
At——室内总表面积m2
在计算图中Fo 值所对应的曲线上，至上面求出的火灾持续时间的一段即为所求火
灾温度——时间曲线。
2、等效火灾时间的转换
再图上，与火灾温度-时间曲线相交且向右下倾斜的曲线，就是表示当火灾温度-时间曲线和标准升温曲线等效时的等效火灾时间的。即在火灾持续时间处与火灾温度-时间曲线相交的等效火灾时间曲线所对应的时间。
例如：客厅火灾持续时间为5000 秒（83.3 分钟）
Fo=∑Ab√H/At=6√1.2/{2（7.16×3+8.21×3+7.16×8.21）}=0.031
据此在图中可求出83.3 分钟分钟等效火灾时间约为112 分钟（1.87 小时）。
那么，查建筑构件耐火极限数据表就可以得知在耐火极限为1.87 小时以下的构件
将全部破坏，容易形成危险。
表4-6 建筑构件耐火极限数据表（节选）
从上表可以得知，在等效标准温升火灾时间1.87 小时以后，诸如：墙厚60 普通粘土砖墙，钢龙骨纸面石膏板隔墙，200
号混凝土200×200 钢筋混凝土柱，板厚90
现浇钢筋混凝土整体式梁板及普通门扇等构件将全部破坏，在消防队员灭火救援行动中容易形成危险。
反过来，我们也可以根据研究对象的标准温升耐火极限来判定在火灾发生多长时间以后，消防队员就不能够进入火场。例如，研究对象里面使用的是200
号300×300 钢筋混凝土柱，查表4-6 得知该钢筋混凝土柱耐火极限为3.00 小时，也就是说3.00
小时以后该柱将遭到破坏而失去承载能力，我们还是取温度系数Fo=0.031，查川越模型图中对应的曲线，约等于非标准火灾的138
分钟（2.3 小时），那么，在大火烧过138 分钟（2.3 小时）以后将对建筑结构产生影响，消防队员最好撤离火场。
3. 水荷载对建筑结构的影响
例如：火场过火面积800平方米，按照供水经验值0.06来计算，则实际用水量为：
Q=Aq=800×0.06=48 L/s
以持续燃烧时间最长的起火情况来计算供水时间（5000 秒），那么需要的总水量为：
48 L/s×5000 s=240000 L=240t
那么相当于240
吨水将被供到着火楼层，这让我们不得不考虑水荷载对建筑结构的影响，同时加上房屋结构在长时间的高温烘烤下混凝土的强度大大降低，楼板可能承受不了那么大的额外重量产生垮塌，对消防人员产生危险，因此，我们在必要的时候应在相应楼层的外墙上凿洞泄水，以防建筑物荷载增加过大。一般按照经验来说，如果积水深度达到100mm，那么就必须考虑泄水问题。这应当引起我们消防火场指挥员的高度重视。案例：1996
年6 月16 日16 时30 分, 某纺织城A 幢(6 层, 高27 m , 钢混结构, 二级耐火等级, 建筑面积1. 8万余m2,
一层为仓库, 其余各层为生产车间) , 因电气线路短路打火花引燃棉花导致火灾, 由于报警迟, 火势迅速蔓延。公安消防部队接警后,
迅速调集消防力量前往扑救。次日4 时, 大火被基本控制, 进入灭余火阶段。因灭火时喷了大量水, 使棉花包、棉布包荷载成倍增加,
而且又进去了几百名职工翻包, 尤其是工程机械的剧烈震动, 导致A幢厂房于17 日14 时10 分坍塌, 造成93 人死亡,
156人受伤的严重后果，教训极为深刻。虽然火灾中建筑结构受到的各方面影响很多，不可能都被考虑周全，但依据经验及查阅参考文献，我们提出以下保护要求：
（1）按上述讨论方法，可根据火灾荷载估算出火灾持续时间，那么运用川越模型可估算出该受火建筑物中的主要建筑构件破坏时间，从而得出该建筑物倒塌的大致时间，以避免不必要的伤亡。
（2）如在二层以上楼层射水，应随时观察楼面积水情况。如果积水深度达到100mm，应在相应楼层的外墙上凿洞泄水，以防建筑物荷载增加过大而倒塌。
（3）如果燃烧时间已达建筑构件破坏时间，不可贸然派人登楼；建筑物内人员撤到室外灭火，就近停靠的消防车应撤到距着火建筑物稍远的地方，并作好随时撤离准备；
（4）慎用“四面围堵”战术，应“把火向外赶”并使通风面积增大，虽然会使火势加大，但火灾持续时间会缩短，从窗口散发的热量多，建筑结构的支持时间会延长。
（5）火场指挥部应安排一名专职参谋密切观察建筑物的变化，如发现倾斜、裂缝、异常声响等一切建筑物可能倒塌的因素，随时向火场指挥部提出撤离建议。
图4-2表明了轰燃与建筑物结构稳定性的关系，并直接关系到内部人员的生存。它从轰燃的角度来考虑轰燃时间对结构产生的影响，时间越长建筑物结构稳定性越差，从而消防队员受到的威胁就越大。
这种方法讨论的结果与前面讨论的结果是一致的。
图4-2 轰燃与建筑物结构稳定性的关系
4. 结束语
虽然，我们根据上面的方法得出的结论可以大致估计建筑物在火灾状态下的破坏时间，但是需要引起注意的是：各建筑构件并不等于建筑物整体本身，我们还应当考虑到框架结构的整体结构行为与未受约束的标准试验炉的单个构件的受力性能是不同的，构件间的相互作用也是标准火灾试验所不能模拟的，特别是钢梁、柱与混凝土板等的组合结构的相互作用无法用标准试验来模拟估算。另外，混凝土在高温时突然遇水枪冲击冷却水的“爆裂”效应也不能忽视。这些问题，今后我们还将作进一步深入研究。 安全文化网 www.anquan.com.cn
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