地鐵同站臺高架換乘車站火災(zāi)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究—(3)站臺火災(zāi)*

鐘茂華，肖 衍，胡家鵬，張 磊，胥兵周，郝曉琨

(1.清華大學(xué) 工程物理系 公共安全研究院，北京，100084；2.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京，100068； 3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京，100068；4.中鐵一局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

地鐵同站臺換乘車站一般為線路之間終點(diǎn)和起點(diǎn)的樞紐站點(diǎn)，該類型車站站臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為斷面跨度大，頂棚高度隨斷面位置發(fā)生變化，在運(yùn)營過程中，兩側(cè)站臺停靠列車中的所有乘客均會下車，在站臺進(jìn)行換乘或通過站廳出站，因此站臺公共區(qū)的客流密度較大，此類大跨度站臺自然排煙措施對其火災(zāi)安全性具有重要影響。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對地鐵單線運(yùn)營和兩線換乘的地下車站站臺火災(zāi)防排煙措施開展了一系列研究。Manabu等[1]針對韓國大邱地鐵火災(zāi)構(gòu)建了站臺列車火災(zāi)數(shù)值計(jì)算模型，對火災(zāi)過程中各層樓扶梯處的煙氣溫度、毒性氣體濃度進(jìn)行分析，從車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度提出了人員疏散措施；Jae等[2]開展了站臺隧道列車火災(zāi)和人員疏散模擬研究，分析了屏蔽門形式和通風(fēng)方式對車站內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響；孟娜[3]搭建了1∶10地鐵車站火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過開展一系列實(shí)驗(yàn)研究了站臺火災(zāi)情況下?lián)鯚煷贡谠O(shè)置方式對頂棚煙氣溫度分布的影響，以及站臺隧道火災(zāi)時煙氣在隧道和站臺空間內(nèi)的流動特性；張茜等[4]采用FDS軟件對某地鐵車站站臺火災(zāi)的三維煙氣流場進(jìn)行模擬，分析了機(jī)械排煙和擋煙設(shè)施共同作用下的煙氣控制效果；何開遠(yuǎn)等[5]構(gòu)建了北京地鐵某島側(cè)混合式地鐵站臺的火災(zāi)數(shù)值計(jì)算模型，對煙氣和空氣的傳熱傳質(zhì)過程、樓扶梯處的煙囪效應(yīng)和煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行分析；陳靜等[6]對某地下三層換乘車站的火災(zāi)防排煙模式進(jìn)行數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)分析了站臺樓梯口防煙空氣幕對煙氣控制效果的影響;石郎君等[7]采用FDS軟件對不同密度人員空間分布情況下火災(zāi)煙氣擴(kuò)散情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了人員密度對補(bǔ)風(fēng)量、煙氣層高度的影響。針對大空間建筑火災(zāi)，張南燕等[8]構(gòu)建了建筑面積1 000 m2，高度6 m的數(shù)值計(jì)算模型，分析了自然排煙作用下不同火源位置下的煙氣溫度和煙氣層高度；羅娜[9]構(gòu)建了西安地鐵二號線行政中心站大空間中庭結(jié)構(gòu)的火災(zāi)數(shù)值計(jì)算模型，提出了利用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)的不同組合模式進(jìn)行煙氣控制的方法，并對通風(fēng)口布置、風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；周志望等[10]利用FDS對尺寸為22.4 m×11.9 m×27 m(長×寬×高)的大空間建筑自然排煙和機(jī)械排煙條件下的豎直溫度分布和煙氣層高度進(jìn)行對比，分析了不同排煙量下的排煙效率；顏艷等[11]在某大空間建筑內(nèi)采用木垛開展了5 MW和10 MW的實(shí)體火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對煙氣豎向和橫向溫度進(jìn)行了研究；毛少華[12]利用尺寸為22.4 m×12 m×27 m(長×寬×高)的大空間試驗(yàn)廳對火災(zāi)煙氣層高度進(jìn)行全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，火源分別放置于試驗(yàn)廳中央和側(cè)墻附近的小室內(nèi)，結(jié)果表明，火源位置對煙氣溫度和煙氣層高度的發(fā)展過程影響較大，火源位于小室情況下的煙氣層高度明顯高于試驗(yàn)廳中央位置火災(zāi)；劉方[13]通過設(shè)計(jì)搭建1∶8中庭火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，開展了自然通風(fēng)和機(jī)械排煙作用下的煙氣填充實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火源靠近側(cè)壁時的煙氣沉降速度低于火源位于中庭中央位置的情況，相比于自然排煙，開啟機(jī)械排煙后煙氣層高度有所升高，且受排煙口布置方式的影響。針對狹長型空間的火災(zāi)煙氣擴(kuò)散時間，Li等[14]通過理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析指出火源功率越大，煙氣擴(kuò)散速度越快；Hu等[15]利用長88 m的地下狹長空間開展了0.8 MW和1.5 MW的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，采用能見度和溫度對煙氣前鋒擴(kuò)散時間進(jìn)行測量，通過觀察該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)煙氣擴(kuò)散時間隨縱向距離近似呈線性增長，且煙氣擴(kuò)散速度隨火源功率的增加而升高。

本文通過在某地鐵同站臺高架換乘車站的大空間站臺層區(qū)域開展全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對不同火災(zāi)功率下的煙氣擴(kuò)散和沉降作用進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為此類結(jié)構(gòu)站臺火災(zāi)情況下自然排煙措施的優(yōu)化、人員疏散和應(yīng)急救援提供經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)體數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)概況

該實(shí)驗(yàn)在某高架換乘車站的站臺層開展，圖1為站臺的結(jié)構(gòu)形式，站臺層包括兩平行布置的站臺公共區(qū)，有效長度118 m，寬度10 m，每側(cè)站臺通過2部樓扶梯與站廳層連通，頂部均設(shè)置有自然排煙窗，在日常運(yùn)營中處于開啟狀態(tài)。

站臺層發(fā)生火災(zāi)時，乘客和站務(wù)人員需通過樓扶梯疏散至站廳，再由站廳安全出口撤離車站。因此在實(shí)驗(yàn)過程中將火源設(shè)置在南側(cè)站臺的西端樓扶梯處，模擬站臺部分疏散路徑被火災(zāi)封堵的情況，在該位置共進(jìn)行3組不同火災(zāi)規(guī)模為0.25～1 MW的實(shí)驗(yàn)，表1為站臺層實(shí)驗(yàn)工況， 圖2為各組實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場開展情況。站臺層實(shí)驗(yàn)測試裝置布置平面圖見實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[16]。

圖1 實(shí)驗(yàn)站臺結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of experimental station platform

工況編號單個油盤尺寸/m油盤數(shù)量燃料厚度/mm列車運(yùn)行模式通風(fēng)方式第1組第2組第3組0.84×0.59×0.112420通過不停車通過不停車站內(nèi)停靠的列車立即駛離車站自然通風(fēng)

圖2 站臺層實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場情況Fig.2 Physical map of fire source in platform

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 頂棚煙氣溫度

站臺層的橫斷面為大跨度空間結(jié)構(gòu)，縱向長度為寬度的3.28倍，頂棚高度隨橫向位置發(fā)生變化，某一側(cè)站臺發(fā)生火災(zāi)時，火羽流撞擊頂棚后在浮力的作用下繼續(xù)沿橫向運(yùn)動至最高頂棚位置處，一部分煙氣通過排煙窗排出，另一部分煙氣形成橫向和縱向的頂棚射流，因此在不同橫向位置處的煙氣溫度縱向分布特征有所差異。

煙氣在縱向運(yùn)動的過程中，通過對流換熱、熱輻射和空氣卷吸向頂棚壁面和下部空氣層損失熱量，其最高溫度分布一般為指數(shù)函數(shù)，表達(dá)式如式(1)所示[17]。

(1)

式中：ΔTmax和ΔT分別為火源附近和距火源縱向距離x處的最高溫度，℃；a,b和k為常數(shù)。

圖3～5分別為起火站臺8 m頂棚、6 m頂棚高度和未起火站臺8 m頂棚高度的溫度縱向分布，可見不同頂棚位置的煙氣溫度均能較好地采用指數(shù)函數(shù)表示，但溫度衰減速度特征和隨火源功率的變化情況有所不同。在起火站臺和未起火站臺的8 m頂棚高處，溫度縱向衰減速度隨火源功率的增加而減小，這與Hu[18]和Liu[19]在狹長形空間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。站臺排煙窗位于6 m頂棚高度的上方，在起火站臺6 m頂棚下方，未排出車站的煙氣沉降至該高度時已接近環(huán)境溫度，火源功率對該高度處溫度分布差異性的影響較小，如圖5所示，不同火源功率下該高度處溫度變化趨勢差異較小。表2為起火站臺8 m頂棚、6 m頂棚高度和未起火站臺8 m頂棚高度處的煙氣最高溫度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)值。

表2 不同高度頂棚下方煙氣溫度分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)Table 2 Empirical model coefficients of smoke temperature with different ceiling height

圖3 起火站臺8 m頂棚下方煙氣溫度Fig.3 Temperature beneath 8 m ceiling in fire platform

圖4 未起火站臺8 m頂棚下方煙氣溫度Fig.4 Temperature beneath 8 m ceiling in another platform

圖5 起火站臺6 m頂棚下方煙氣溫度Fig.5 Temperature beneath 6 m ceiling in fire platform

2.2 煙氣層高度

在火災(zāi)情況下，煙氣在擴(kuò)散過程中會形成上部熱煙氣層和下部新鮮空氣層，煙氣層高度是表示煙氣沉降情況及其危險(xiǎn)性的重要參數(shù)。圖6為站臺火災(zāi)煙氣沉降情況，受空氣摻混、建筑結(jié)構(gòu)的影響，煙氣層和下部空氣層之間往往存在過渡區(qū)域，其邊界難以通過現(xiàn)場觀察的方法確定。

針對煙氣分層情況分析，NFPA-92B[20]建議通過測量豎直方向溫度數(shù)據(jù)，采用百分比法確定煙氣層高度，計(jì)算方法如下式，本文中Cn取0.8。

Tn=Cn(Tmax-T0)+T0

(2)

式中：Tn為煙氣層與空氣層分界面的溫度℃；Tmax為豎直方向最高溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃；Cn為百分比常數(shù)，一般取0.8～0.9。

圖7和圖8分別為1 MW火災(zāi)規(guī)模時，起火站臺和未起火站臺8 m高度頂棚下方的豎直溫度分布，其中X=0 m為火源斷面處的豎直溫度分布，X>0 m和X<0 m分別表示火源斷面東側(cè)和西側(cè)區(qū)域。由于靠近頂棚部位的煙氣通過對流換熱損失了部分能量，因此最高溫度未處于最高熱電偶位置處，這與Zhong[21]和Yasushi[22]在狹長空間內(nèi)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論一致。在煙氣擴(kuò)散區(qū)域，隨著高度的下降，煙氣溫度逐漸下降，而在火源區(qū)域，如圖7中的X=0 m所示，由于在下部空間受到火焰熱輻射的影響，在高度3 m以下煙氣溫度呈現(xiàn)上升趨勢。通過提取Cn=0.8處溫度的所在高度可得1 MW火災(zāi)規(guī)模時起火站臺煙氣層高度為7～7.45 m，未起火站臺的煙氣層高度為6.6～7.45 m。

圖6 站臺火災(zāi)煙氣沉降情況(0.5 MW火源)Fig.6 Fire smoke descendent in platform(HRR=0.5 MW)

采用式(1)中的計(jì)算方法對0.25 MW和0.5 MW規(guī)?；鹪吹臒煔鈱痈叨冗M(jìn)行計(jì)算，圖9為站臺層煙氣層高度縱向分布情況，煙氣層高度受火源功率的影響較小，在火源斷面處煙氣層高度為7.5 m左右，隨著縱向距離的增加，煙氣層高度呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于火源斷面處煙氣溫度較高，且下部區(qū)域受到火焰熱輻射，導(dǎo)致煙氣浮力作用較為明顯，難以向下部區(qū)域沉降，煙氣在縱向擴(kuò)散過程中不斷損失能量并卷吸空氣，溫度不斷降低，浮力作用不斷減弱，煙氣沉降作用逐漸加強(qiáng)。

圖10為未起火站臺煙氣層高度，該區(qū)域煙氣層縱向變化情況與起火站臺有所差異，火源斷面處的煙氣層高度較低，而火源斷面東側(cè)和西側(cè)的煙氣層高度呈現(xiàn)上升的趨勢。這是由于在火災(zāi)過程中，火源斷面處由起火站臺橫向擴(kuò)散至未起火站臺的煙氣質(zhì)量流量較大，而在火源斷面東側(cè)和西側(cè)區(qū)域，起火站臺的煙氣浮力作用減弱，向未起火站臺橫向擴(kuò)散的質(zhì)量流量減小，同時部分煙氣在未起火站臺上方的自然排煙口排出，導(dǎo)致未起火站臺遠(yuǎn)離火源斷面區(qū)域的煙氣質(zhì)量流量降低，煙氣層高度較高，在防排煙設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮在溫度較高的區(qū)域降低煙氣流量，一方面可限制煙氣縱向擴(kuò)散范圍，另一方面可減弱擴(kuò)散一定距離后煙氣的沉降作用，因此在車站建筑和裝修條件允許的條件下應(yīng)盡可能增大頂部排煙口面積實(shí)現(xiàn)這一排煙優(yōu)化措施。

圖7 起火站臺8 m頂棚高度下方煙氣溫度豎直分布(4個油盤)Fig.7 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in fire platform( 4 fuel pans)

圖8 未起火站臺8 m頂棚高度下方煙氣溫度豎直分布(4個油盤)Fig.8 Vertical temperature profile beneath 8 m ceiling in another platform( 4 fuel pans)

圖9 起火站臺煙氣層高度Fig.9 Smoke layer height in fire platform

圖10 未起火站臺煙氣層高度Fig.10 Smoke layer height in another platform

2.3 煙氣蔓延時間

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過記錄煙氣溫度出現(xiàn)溫升的時刻可對站臺不同部位的煙氣蔓延時間進(jìn)行分析。圖11和圖12分別為起火站臺和未起火站臺煙氣蔓延時間，可見該參數(shù)隨縱向距離的增加呈線性升高趨勢，這與史聰靈等[23]在地鐵區(qū)間隧道開展的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，在起火站臺和未起火站臺，隨著火源功率由0.25 MW增加至1 MW，煙氣縱向蔓延時間均為減小趨勢，煙氣蔓延速度增加，站臺層0.25 MW規(guī)?；馂?zāi)的煙氣蔓延速度為0.33～0.4 m/s，0.5 MW規(guī)?；馂?zāi)的煙氣蔓延速度為0.41～0.43 m/s，1 MW規(guī)模火災(zāi)的煙氣蔓延速度為0.45～0.81 m/s，表3為不同火災(zāi)規(guī)模和頂棚位置的煙氣蔓延時間經(jīng)驗(yàn)公式。

圖11 起火站臺煙氣擴(kuò)散時間Fig.11 Smoke spread time in fire platform

圖12 未起火站臺煙氣擴(kuò)散時間Fig.12 Smoke spread time in another platform

頂棚位置油盤數(shù)量經(jīng)驗(yàn)公式煙氣蔓延速度/(m·s-1)起火站臺8 m高度頂棚1t=3.01x0.332t=2.31x0.434t=2.22x0.45未起火站臺8 m高度頂棚1t=2.52x0.42t=2.42x0.414t=1.23x0.81

3 結(jié)論

1)同站臺高架換乘車站的大跨度站臺層發(fā)生火災(zāi)時，頂棚煙氣溫度的縱向衰減速率隨著火源功率的增加而降低，起火站臺和未起火站臺不同頂棚高度下的煙氣最高溫度均呈指數(shù)分布特征。

2)站臺層不同部位的煙氣層高度受火源位置、頂棚結(jié)構(gòu)和自然排煙的影響，起火站臺火源附近煙氣浮力作用較強(qiáng)，煙氣層高度較高，隨著縱向距離的增加，煙氣溫度逐漸降低，煙氣層高度逐漸下降, 火災(zāi)危險(xiǎn)性逐漸升高；未起火站臺火源斷面處的煙氣質(zhì)量流量較大, 煙氣層高度低于起火站臺，火災(zāi)危險(xiǎn)性高于起火站臺，隨著縱向距離的增加，煙氣質(zhì)量流量逐漸降低，煙氣層高度逐漸升高。站臺防排煙設(shè)計(jì)中,在建筑和裝修條件允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能提高頂部排煙口總面積以降低火場中火源附近及縱向擴(kuò)散的煙氣流量，從而最大程度地保障下部空間人員安全疏散。

3)在0.25～1 MW規(guī)模的火災(zāi)場景下，站臺層煙氣擴(kuò)散時間與縱向距離呈線性升高趨勢，起火站臺和未起火站臺的煙氣擴(kuò)散速度為0.33～0.81 m/s。

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