木結(jié)構(gòu)廠房耐火性能的FDS模擬

寧 軍 （安慶市菱北公安消防大隊(duì)，安徽 安慶 246000）

0 前言

近年來(lái),隨著建筑結(jié)構(gòu)需求的多元化，木結(jié)構(gòu)建筑在國(guó)內(nèi)越來(lái)越受歡迎，無(wú)論是文藝清新風(fēng)格的商業(yè)街區(qū)或者是別墅類(lèi)房屋，木結(jié)構(gòu)都是越來(lái)越多人的選擇。上世紀(jì)50年代，國(guó)外開(kāi)始對(duì)木結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)章制度制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在70年代的時(shí)候制度進(jìn)行的比較全面，到90年代研究方向眾多，成果不斷，很多國(guó)家已經(jīng)研究出比較完備的抗火標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[1～2]。但是，我國(guó)目前木結(jié)構(gòu)建筑的相關(guān)技術(shù)規(guī)范并不完善，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中僅對(duì)木結(jié)構(gòu)民用建筑作出了相關(guān)規(guī)定[3]，但對(duì)采用木結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)廠房并未做出明確規(guī)定。本文主要結(jié)合一木結(jié)構(gòu)廠房實(shí)例，研究木結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能。

1 建筑概況

1.1 廠房基本情況

該廠房使用性質(zhì)為紡織材料染色廠房，以單層為主，局部二層。建筑功能：一層依次為前處理車(chē)間、染色車(chē)間、后處理車(chē)間，局部二層為輔助用房，分別有化料間、化驗(yàn)室、染料間、備料間、空壓室等。廠房整體為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，其中屋頂梁、屋頂承重構(gòu)件均為木梁、木檁條。防火分區(qū)共10個(gè)，各防火分區(qū)面積為306.4～11007.6m2，防火分區(qū)間用防火墻分隔，各分區(qū)均設(shè)有直接的對(duì)外出口，滿足人員安全疏散要求。

因印染企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中鐵離子和雙氧水的化學(xué)反應(yīng)對(duì)紡織品產(chǎn)生高腐蝕作用，造成破洞疵布直接影響產(chǎn)品質(zhì)量等多種原因，該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中，參照意大利國(guó)家建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ItalianCode2007-07-27和歐洲法規(guī)EN1995-1-2：2004Eurocode[4],采用膠合木結(jié)構(gòu)梁作為建筑材料來(lái)建設(shè)廠房的屋面支撐系統(tǒng)。本工程火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)均已按規(guī)范要求予以設(shè)置，室內(nèi)消火栓布置增加了23個(gè)。

1.2 木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件情況

該廠房所有的木梁和木檁條成品均由意大利進(jìn)口，根據(jù)木構(gòu)件廠家出具的《木材結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火能力認(rèn)證》（《CERTIFICATION OF FIRE RESISTANCE OF TIMBER STRUCTURAL COMPONENTS》）文件，該木梁和木檁條在實(shí)驗(yàn)溫度曲線（圖1）的條件下，極限撓度和極限撓度變化率能夠滿足下式：

圖1

結(jié)合該廠房的尺寸和荷載情況，綜合計(jì)算，木梁和木檁條可以滿足下表要求通過(guò)比例計(jì)算后得到如表1的力學(xué)分布實(shí)驗(yàn)條件。

表1

2 FDS模擬

但是，由于上述數(shù)據(jù)均是根據(jù)歐洲規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線進(jìn)行計(jì)算所得，與實(shí)際廠房的火災(zāi)情況并不一定一致，所以，利用FDS模擬軟件搭建模型，根據(jù)建筑的使用功能和空間特性，考慮鄰近可燃物為木材的較不利情況，考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及木結(jié)構(gòu)梁附近的熱輻射值以及溫度變化的情況，并與標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線進(jìn)行比較[5]。

木結(jié)構(gòu)染色車(chē)間分為兩層，防火分區(qū)劃分如圖2、圖3所示：

圖2

圖3

本文選取兩處火災(zāi)危險(xiǎn)性和火災(zāi)荷載較大的場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 火災(zāi)場(chǎng)景A1——防火分區(qū)一前處理車(chē)間起火

本場(chǎng)景考慮防火分區(qū)一前處理車(chē)間起火，防火分區(qū)一包含一層前處理車(chē)間區(qū)域①以及二層⑨區(qū)域，由于該木結(jié)構(gòu)廠房無(wú)噴淋，也沒(méi)有機(jī)械排煙裝置，所以只考察自然排煙情況，得出頂部以及木結(jié)構(gòu)樁位附近的溫度變化數(shù)據(jù)，設(shè)定火源為T(mén)2-快速增長(zhǎng)火，穩(wěn)定火源功率取20.0MW。圖4給出了火災(zāi)場(chǎng)景A1的計(jì)算模型。

圖4

將頂部梁的熱電偶溫度變化與標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對(duì)比，在30min的模擬時(shí)間對(duì)比升溫速率的變化規(guī)律，如圖5。

圖5

將梁附近縱向布置的熱電偶的溫升情況與標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對(duì)比，如圖6。

圖6

所以，當(dāng)防火分區(qū)一前處理車(chē)間起火時(shí)，火源功率20.0MW條件下，木結(jié)構(gòu)廠房梁附近各點(diǎn)溫度情況如上圖所示。從圖中可知，無(wú)論是縱向木結(jié)構(gòu)還是橫向梁的溫度變化，都在標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線以下。所以，廠房著火時(shí)，火源輻射強(qiáng)度最大的地方，溫度變化也處于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線以下。因此，當(dāng)防火分區(qū)一前處理車(chē)間起火時(shí)，火源功率20.0MW時(shí)，防火分區(qū)一各點(diǎn)木結(jié)構(gòu)溫度變化曲線遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，耐火性較好。

2.2 火災(zāi)場(chǎng)景A2——防火分區(qū)九染料助劑室著火

本場(chǎng)景考慮防火分區(qū)九染料助劑室起火，防火分區(qū)九為二層 號(hào)區(qū)域染料助劑室，由于該木結(jié)構(gòu)廠房無(wú)噴淋，也沒(méi)有機(jī)械排煙裝置，所以只考察自然排煙情況，得出頂部以及木結(jié)構(gòu)樁位附近的溫度變化數(shù)據(jù)，設(shè)定火源為T(mén)2-快速增長(zhǎng)火，穩(wěn)定火源功率取20.0MW。圖7給出了火災(zāi)場(chǎng)景A2的計(jì)算模型。

圖7

將頂部梁的熱電偶溫度變化與標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對(duì)比，在30min的模擬時(shí)間對(duì)比升溫速率的變化規(guī)律，如圖8。

圖8

將梁附近縱向布置的熱電偶的溫升情況與標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線對(duì)比，如圖9。

圖9

所以，當(dāng)防火分區(qū)⑨染料助劑室起火時(shí)，火源功率20.0MW條件下，木結(jié)構(gòu)廠房梁附近各點(diǎn)溫度情況如上圖所示。從圖中可知，無(wú)論是縱向木結(jié)構(gòu)還是橫向梁的溫度變化，都在標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線以下。所以，廠房著火時(shí)，火源輻射強(qiáng)度最大的地方，溫度變化也處于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線以下。因此，當(dāng)防火分區(qū)⑨染料助劑室著火，火源功率20.0MW時(shí)，防火分區(qū)⑨染料助劑室各點(diǎn)木結(jié)構(gòu)溫度變化曲線遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，由此可以判斷該廠房耐火性較好。

通過(guò)數(shù)值模擬得出木結(jié)構(gòu)染色車(chē)間10個(gè)防火分區(qū)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)木結(jié)構(gòu)梁和樁位的溫度變化，得出各個(gè)區(qū)域起火時(shí)，木結(jié)構(gòu)的溫度變化曲線都低于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，說(shuō)明發(fā)生火災(zāi)時(shí)，廠房木結(jié)構(gòu)材料在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，溫度變化都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)溫升的變化，可以判斷該廠房耐火性較好。

3 結(jié)論

本文以國(guó)內(nèi)比較少見(jiàn)的木結(jié)構(gòu)廠房為研究對(duì)象，由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有詳細(xì)的對(duì)應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)廠房的建筑，但是由于行業(yè)的特殊性，車(chē)間對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性比較強(qiáng)，所以本文主要研究木結(jié)構(gòu)廠房在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的耐火性能。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)1992.及歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)其承載力性能，以及通過(guò)國(guó)際上廣泛認(rèn)可的煙氣模擬軟件FDS軟件，對(duì)廠房進(jìn)行全尺寸火災(zāi)模擬，計(jì)算發(fā)生火災(zāi)時(shí)，廠房各個(gè)地方木結(jié)構(gòu)溫度變化的情況，并于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)數(shù)值模擬得出木結(jié)構(gòu)染色車(chē)間十個(gè)防火分區(qū)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)木結(jié)構(gòu)梁和樁位的溫度變化，得出各個(gè)區(qū)域起火時(shí)，木結(jié)構(gòu)的溫度變化曲線都低于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線，說(shuō)明發(fā)生火災(zāi)時(shí)，廠房木結(jié)構(gòu)材料在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，溫度變化都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)溫升的變化，可以判斷該廠房耐火性較好，可以達(dá)到《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中二級(jí)耐火等級(jí)的要求。