随着经济的快速发展, 环境污染也越来越严重, 具体表现为空气中PM2.5指数的严重超标。在此种背景下, 具有密闭特点的充气膜结构受到了人们越来越多的重视。因为它既可以阻止外部有害空气进入建筑内而百富策略白菜网于体育馆等公共建筑;又可以防止有害粉尘的传播而百富策略白菜网于仓储。同时充气膜结构内部无梁柱支承, 仅以空气支承, 具有经济、大跨、施工周期短、可拆卸等优点, 国外已大量百富策略白菜网于大型仓库、飞机场、体育馆及展览馆等建筑中。但是该种结构在国内外的百富策略白菜网、研究较少, 其火灾性能研究更少, 所以本文针对国内最常用的矩形平面气承式充气膜建筑, 研究其火灾下的温度场及烟气分布, 为充气膜的百富策略白菜网提供参考。

大量火灾事故表明, 大跨空间结构火灾安全问题必须引起高度重视。一旦发生火灾, 室内会积聚大量有毒气体, 人员生命安全受到较大威胁。据统计, 火灾中85%以上的人员死因归咎于烟气的影响, 烟气的危害性主要表现在烟气温度、烟气毒性和烟气能见度[1,2]这三个方面。根据疏散“准安全区”标准[3], 2 m高度处生命安全条件为:温度T≤60℃, 烟气CO浓度不大于5×10-4mol/m L, 烟气能见度不小于10 m。对于充气膜, 虽然膜材多数是难燃或不燃材料, 能够阻止火焰扩散, 但高温下膜材及加劲索的力学性能发生变化, 比如膜材会被烧融烧穿、内压出现波动、索材预应力损失、弹性模量和承载力等降低, 最终导致结构倒塌破坏。因而研究充气膜结构的抗火性能, 首先应从生命安全角度出发, 分析火灾下膜面温度场分布特性及室内烟气流动规律, 进而根据膜面温度分布对结构进行区域简化, 以便后续结构分析;最后根据烟气流动规律对人员安全疏散进行预测。

由于此类结构的大型化和多样化, 不适于选用传统的全尺寸火灾试验方法进行研究。本文以矩形充气膜为研究对象, 利用火灾动态模拟FDS软件, 分析充气膜结构的火灾特性。

FDS软件是美国NIST建筑与火灾研究实验室开发的基于场模拟的一种火灾模拟程序, 主要研究对象是火灾中的流体运动, 模拟手段是利用数值方法对火灾过程中热释放和浮力驱动作用下的低马赫数流动方程组 (N-S方程) 进行求解。重点计算的是火灾中烟气流动及热传递过程, 可以模拟三维空间湍流的流动过程, 全面涵盖了火灾中烟气流动的各个阶段。FDS理论是在质量、动量、能量守恒及其组分守恒方程的基础上建立起来的, 而场模拟过程则是对这组方程进行数值求解。FDS属开放性的程序, 其准确性已通过大量全尺寸试验的验证, 因而在火灾模拟领域得到广泛百富策略白菜网。

矩形充气膜三维模型如图1所示, 长和宽分别为50 m、30 m, 高为10 m, 紧急疏散门尺寸为1.8 m×1.1 m。膜材采用厚1 mm的聚偏氟乙烯涂层膜材 (熔点约170℃, 热分解温度在316℃以上) 。每个通风口处设有2个风扇, 单个风扇最大通风量为10 m3/s。由于充气膜结构属密闭性结构, 为了防止内压泄露影响结构的正常使用功能, 通常在出入口处设置双道气锁门, 即前后两扇门一开一合, 相互配合工作, 即使人员进出, 泄气量也极少, 因而数值模拟时可不考虑气锁门的开启。实际结构采用智能监控系统维持充气膜内的气压稳定, 本文则通过在模型中设置“FAN”属性的表面控制来考虑内压变化。为了保证结构不坍塌和人员安全撤离, 结构内压控制为不小于100 Pa。经试算, 火灾时紧急疏散门打开, 烟气泄漏量达到20 m3/s以上, 内压降低迅速, 需将全部风扇打开送风才能满足结构安全要求。

公共建筑中由于人流量较大, 应适时开启消防疏散门, 确保人员安全撤离。参考CECS 200∶2006《建筑钢结构防火技术规范》[5], 结合结构自身用途和特性, 选择较为典型的火灾场景:设火源位于结构中央 (X=25 m, Y=15 m) , 有喷淋和无喷淋系统下火源功率Q分别为2.5 MW和6 MW, 3 min时消防疏散门和风扇同时开启, 分析通风口1 (X=25 m, Y=0 m) 或通风口2 (X=48 m, Y=0 m) 打开时烟气流动规律和温度场分布特性。

由于篇幅所限, 本文仅列出Q=6 MW时的部分膜面温度分布特性曲线, 如图2所示。

由模拟结果可知, 膜面温度场分布规律如下:受气流影响火焰很不稳定, 所得膜面温度曲线波动幅度大, 整个膜面温度不再呈轴对称分布。180 s左右温度曲线有明显的突变, 先下降后上升, 且测点离火源越远, 突变越小, 这是由于180 s时风扇和疏散门打开, 气体对流现象明显, 热烟气不断卷吸下层冷空气, 膜面温度迅速降低, 但随着燃烧时间的增加, 火源热释放量不断增大, 烟气温度又逐渐上升, 最终趋于稳定;离火源越远, 膜面升温越缓慢, 受气流影响越小, 因而下降段越不显著。与全封闭结构相比, 膜面整体温度降低显著, 纵、环向各测点温度梯度减小。Q=6 MW时, 膜面最高温度约为250℃, 最低温度约60℃。可见, 膜面最高温度远低于膜材燃烧分解的临界温度, 室内不会产生其他有害气体, 火灾发生20 min内结构不易发生倒塌破坏。

通风口位置对膜面温度分布有一定影响:对于不同位置的横截面, 通风口1打开时, 膜面整体温度较通风口2打开时低 (靠近结构右端的横截面及风扇对立面部分温度测点除外) , 这是由于风扇打开, 其上方会积累大量的冷气流, 使上部热烟气层产生较大的上浮力, 烟气层高度上升, 大部分热烟气不能及时外排, 因而膜面温度偏高;距风扇较远的横截面, 由于冷气流运动过程中有所损失, 部分气体通过疏散门直接排出室外, 烟气上浮力相对较小, 热烟气因压力差的存在而不断外泄, 因而温度偏低;通风口1或通风口2打开时, 风扇对立面沿结构纵向各个位置烟气层会迅速下降, 膜面温度受冷气流影响甚小, 因而两种工况作用下膜面温度基本相等。纵截面温度分布规律与横截面较为相似, 不再重述。

不同时刻室内烟气流动规律如图3所示, 不同通风口位置时疏散门及室内2 m高处烟气层温度、CO浓度和能见度的数值模拟结果如图4—图7所示。

由图3可知:t=180 s时疏散门开启、风扇打开通风, 冷、热气体间产生明显对流, 室内气体卷吸、扰动十分剧烈, 风扇周边气流呈漩涡状分布, 底部冷空气的进入使得结构内部烟气层高度明显上升 (火源正上方及结构四周除外) 。各工况下烟气流动规律相似, 即室内烟气流动主要历经三个阶段:1) 疏散门及风扇打开前, 烟羽流呈轴对称发展, 首先达到膜顶面, 并沿着水平方向向周边发展蔓延 (由于纵向空间较横向空间开阔, 烟气纵向蔓延速度明显较横向快) , 不断卷吸下方空气, 在结构两侧端部遇到障碍物后, 运动受阻就会向下流动, 但由于烟气层温度较高, 下降一段距离便开始上浮, 沿水平方向形成回流, 热烟气层厚度逐渐增加, 整个烟气层均匀下降。2) 疏散门及风扇打开瞬间, 火源正上方烟羽流顺着气流方向产生明显侧移, 原先均匀下降的烟气层受到空气对流和室内外压力差的影响, 风扇对立面的热烟气迅速向下运动, 烟羽流非对称分布。3) 结构周边烟气层不断下降, 烟气充满整个室内, 能见度骤降, 大量烟气不断涌向出口。

通风口位置对风扇口附近及火源周边水平烟气流动有较大影响:通风口1打开, 冷空气首先沿纵向膜面及风扇对立面迅速发展, 并不断卷吸周边烟气, 到达火源位置后, 烟气以火源正上方为中心向四周呈漩涡状扩散蔓延;通风口2打开, 冷空气首先沿纵、横向迅速发展, 不断卷吸火源一侧热烟气 (以火源正上方横截面为分界) , 并沿纵向以漩涡状形式向另一侧蔓延 (规律是在后处理动态图中看出的, 故无法用图表示) 。

由模拟结果可知, 通风口位置对疏散门口及2 m高处平均烟气层温度、CO浓度及能见度基本无影响。从图4、图5可看出, 疏散门位于室内、外的临界位置, 室内、外压力差的存在使得大量冷气流从门洞排出, 对流作用明显, 聚集的热烟气受到一定程度的冷却和稀释, 因而疏散门口处温度曲线波动幅度大, 且烟气温度及CO浓度较室内2 m高处平均值大。由图6可知, 烟气能见度变化曲线较陡, 通风口位置对其影响较小。由图7可知, 疏散门及风扇打开, 火焰很不稳定, 烟羽流端部热影响区域明显加宽, 有向外扩张趋势, 且火源功率越大, 烟羽流受气流影响越显著;垂直空间上烟气分布不均匀, 无明显的层状分布特性。

判断人员能否安全疏散应从以下三方面考虑:

1) 温度 (图4) 。除火源正上方外, 其余各处温度分布较均匀。当Q=2.5 MW时, 疏散门口及2 m高处平均温度均小于50℃, 满足安全性要求;当Q=6 MW时, 疏散门口及2 m高处平均温度为70~85℃, 不符合要求, 其允许的最长安全疏散时间为520 s。实际工程中可通过设置适当数量的顶排或侧排、增大风扇进气量来保证温度不超过60℃即可。

2) CO浓度 (图5) 。火源正上方浓度较大, 风扇口附近浓度较小, 其余各处分布均匀。Q=2.5 MW时, 疏散门口及2 m高处CO平均浓度均小于2.0×10-4mol/m L;Q=6 MW时所对应的CO平均浓度均小于4.5 mol/m L, 满足安全疏散要求。

3) 能见度 (图6) 。与结构全封闭时相比, 疏散门和风扇打开后气体对流明显, 能见度显著下降, 200 s左右两种火源功率作用下能见度分别降低到0.8 m和0.4 m, 均不满足人员安全疏散要求。经模拟分析, 在膜面增设顶排或侧排, 采用自然排烟法时, 烟气能见度提高幅度甚小, 仍对人员安全疏散构成较大威胁。实际工程中需采用相应的机械排烟方式和先进的火灾探测技术 (如:光截面图像感烟火灾探测技术、双波段图像型火灾探测技术等) , 尽可能在火灾发生初期能及时排出烟气。

1) 气承式充气膜结构内外压强差相对较小, 对燃料燃烧特性的影响可忽略不计。

2) 对于公共建筑火灾, 需考虑人员安全疏散, 适时开启消防疏散门和风扇。受气体对流和压力差影响, 室内烟气非均匀下降, 能见度迅速减小, 但烟气温度降低显著, 结构不易发生倒塌破坏。通风口位置对烟气流动特性有较大影响, 膜面热环境温度场分布规律存在一定差异。Q=2.5 MW时, 疏散门及2 m高处温度、CO浓度均满足安全疏散需要, 能见度仅0.8 m;Q=6 MW时, 除CO浓度外, 其余两项指标均不符合要求。

实际工程中应合理设置侧排或顶排、增加风扇进气量, 即采用自然排烟法便可有效降低烟气温度对于烟气能见度的提高, 需采用特殊的机械排烟方式和先进的火灾探测技术, 尽可能在火灾发生初期及时排出烟气。

3) 根据膜面温度场分布规律, 可将温度按区域进行简化, 方便后续结构分析;根据烟气流规律, 可预测人员安全疏散问题, 为消防工程提供参考。