鋼結(jié)構(gòu)廠房的自然排煙

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　　隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)倉儲用房日趨大型化，而鋼結(jié)構(gòu)骨架建造的廠房，以強(qiáng)度高、自重輕、跨度大、吊裝施工方便和建設(shè)時間短等優(yōu)點(diǎn)正越來越被廣大廠家所采用。鋼結(jié)構(gòu)廠房具有耐火性能低的弱點(diǎn)，在未進(jìn)行防火處理的情況下，其本身雖然不會起火燃燒，但火災(zāi)時，強(qiáng)度會迅速下降，一般結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到350℃、500℃、600℃時，強(qiáng)度分別下降1/3、1/2、2/3.理論計算顯示，在全負(fù)荷情況下，鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃左右，而一般火場溫度達(dá)到800～1000℃，在這樣的火場溫度下，裸露的鋼結(jié)構(gòu)一般在15min左右，就會出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生局部損壞，造成鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌失效。如：1992年5月無錫興業(yè)有限公司全鋼結(jié)構(gòu)占地1000平方米廠房發(fā)生特大火災(zāi)，將整個廠房燒得支離破碎；1992年6月上海聯(lián)合毛紡廠兩層全鋼結(jié)構(gòu)廠房5400平方米，由于設(shè)備油箱形成爆燃?xì)怏w發(fā)生火災(zāi)，整個廠房燒毀；1993年11月安徽佳通輪胎有限公司的單層全鋼結(jié)構(gòu)廠房，建筑面積58752平方米，由于人為縱火，導(dǎo)致這個廠房鋼結(jié)構(gòu)全部被破壞；2003年2月5日四川綿陽三角生活用紙制造有限公司成品2號倉庫因放火發(fā)生火災(zāi)，鋼屋架建筑全部燒毀。這類建筑還存在空間大，火勢蔓延快，設(shè)備、人員密集，疏散困難等特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，常用的自動消防設(shè)施很難發(fā)揮預(yù)期作用。人員疏散和滅火救援難度較大，有造成群死群傷的潛在危險。在現(xiàn)行消防法規(guī)尚無明文規(guī)定的背景下，如何采用合理的防排煙措施以避免和減少大空間建筑火災(zāi)時的人員傷亡、保證人員安全疏散，就顯得尤為重要。

　　一、建筑火災(zāi)煙氣的特點(diǎn)

　　火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展具有隨機(jī)性和確定性的雙重特點(diǎn)。隨機(jī)性是指火災(zāi)發(fā)生的起火原因及時間、地點(diǎn)等因素是不定的，受到各種因素的影響，遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律；確定性是指在某一特定場合下發(fā)生的火災(zāi)會按基本確定的規(guī)律發(fā)展蔓延，燃燒過程與煙氣流動過程皆遵循燃燒學(xué)、流體力學(xué)等物理和化學(xué)規(guī)律?；馂?zāi)的確定性規(guī)律可采用工程科學(xué)的方法研究，一般室內(nèi)火災(zāi)的自然發(fā)展過程大體分成三個主要階段，即：初期增長階段、充分發(fā)展階段及衰減階段。

　　在火災(zāi)發(fā)展的初期增長階段，隨著放出熱量迅速增多，在可燃物上方形成溫度較高、不斷上升的火羽流。當(dāng)羽流受到房間頂棚的阻擋后，便在頂棚下方向四面擴(kuò)散開來，形成了沿頂棚表面平行流動的較薄的熱煙氣層，達(dá)到了一定厚度時又會慢慢向室內(nèi)中部擴(kuò)展，不久就會在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層。當(dāng)火災(zāi)達(dá)到充分發(fā)展階段，熱煙氣層的溫度與中心溫度相差無幾。

　　如果室內(nèi)有通向外部的開口（如門和窗），則當(dāng)煙氣層的厚度低于開口的上沿高度時，煙氣便可由此流到室外。開口便起著向外排煙的作用。在建筑火災(zāi)的發(fā)展過程中，煙氣的排放相當(dāng)重要，煙氣排放速率的大小決定著煙氣層高度的變化情況。當(dāng)排放速率大于煙氣的產(chǎn)生速率時，煙氣層的高度會逐漸升高，最終保持在對人沒有威脅的高度。

　　二、鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)時的理化性能

　　建筑用鋼（Q235、Q345鋼等）在全負(fù)荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的機(jī)械性能隨溫度的不同而有變化，當(dāng)溫度升高時，鋼材的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和彈性模量的總趨勢是降低的，但在150℃以下時變化不大。當(dāng)溫度在250℃左右時，鋼材的抗拉強(qiáng)度反而有較大提高，但這時的相應(yīng)伸長率較低、沖擊韌性變差，鋼材在此溫度范圍內(nèi)破壞時常呈脆性破壞特征，稱為“藍(lán)脆”。如在“藍(lán)脆”溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鋼材的機(jī)械加工，則易產(chǎn)生裂紋，故應(yīng)力求避免。當(dāng)溫度超過300℃時，鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量開始顯著下降，而伸長率開始顯著增大，鋼材產(chǎn)生徐變；當(dāng)溫度超過400℃時，強(qiáng)度和彈性模量都急劇降低；到500℃左右，其強(qiáng)度下降到40％～50％，鋼材的力學(xué)性能，諸如屈服點(diǎn)、抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降，低于建筑結(jié)構(gòu)所要求的屈服強(qiáng)度。我國20世紀(jì)90年代初對裸露鋼梁的耐火極限進(jìn)行了驗(yàn)證，確認(rèn)了I36b、I40b標(biāo)準(zhǔn)工字鋼梁的耐火極限分別為15min、16min（鋼梁內(nèi)部達(dá)到臨界溫度：平均溫度538℃，最高溫度649℃）。因此，若用沒有防火保護(hù)的普通建筑用鋼作為建筑物承載的主體，一旦發(fā)生火災(zāi)，則建筑物會迅速坍塌，對人民的生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的損失。

　　三、現(xiàn)行各類排煙方式比較

　　在建筑防排煙工程中，常用的三種方式是：自然排煙、機(jī)械加壓送風(fēng)防煙和機(jī)械排煙。自然排煙和機(jī)械排煙是控制煙氣下降的常用方法，與機(jī)械排煙相比自然排煙有其自身的優(yōu)點(diǎn)。一是無大的動力設(shè)備，運(yùn)行維修費(fèi)用也少，且平時可兼作換氣用；二是在頂棚開設(shè)排煙口，自然排煙效果好。對于自然排煙的應(yīng)用，在國外也有許多采用自然排煙的例子，在德國，大空間的公共建筑多使用自然排煙尤其是單層的展覽建筑。我國現(xiàn)階段對建筑防排煙方式選擇的傾向性意見是：凡是能利用外窗等實(shí)現(xiàn)自然排煙的部位應(yīng)盡可能地采用自然排煙方式。特別是大空間建筑宜首先考慮設(shè)置自然排煙，理由如下：

　　1）大空間建筑中的高大空間具有較強(qiáng)的蓄煙功能；

　　2）大空間建筑通常頂棚或側(cè)墻設(shè)置大面積采光或通風(fēng)帶，可與自然排煙結(jié)合使用；

　　3）機(jī)械排煙量非常大，給設(shè)計和施工帶來很大難度；

　　4）由于內(nèi)部空間的高大、寬敞，機(jī)械排煙可能引起煙氣與空氣的摻混，過于集中的機(jī)械通風(fēng)排煙把大量剛剛補(bǔ)入的新鮮空氣直接排放出去，形成所謂的“流通短路。

　　四、自然排煙的設(shè)計要求

　　目前，防排煙設(shè)計方法基本有三種：

　　（1）體積換氣次數(shù)法；

　　（2）基于數(shù)理模型計算公式設(shè)計方法；

　　（3）借助計算機(jī)模擬軟件分析評估設(shè)計方法即性能化設(shè)計方法。

　　但無論采用哪種方法，都要滿足以下要求：一是煙氣層高度?；馂?zāi)中的煙氣層伴有一定熱量、膠質(zhì)、毒性分解物等，是影響人員疏散行動與救援行動的主要障礙。在設(shè)計時限內(nèi)，煙氣層最好能保持在人群頭部上方一定高度處，使得人在疏散時不必從煙氣中穿過，也不會受到熱煙氣流的輻射熱威脅。普遍認(rèn)為煙氣層在人員疏散過程中保持在距地面2m以上的位置時，人員疏散是安全的。二是熱輻射。根據(jù)人體對輻射熱耐受能力的研究，人體對煙氣層等火災(zāi)環(huán)境的輻射熱的耐受極限是2.5kW/㎡，上部溫度約為185度，處于這個程度的輻射熱幾秒鐘之內(nèi)就會引起皮膚強(qiáng)烈疼痛。三是結(jié)構(gòu)安全。建筑用鋼在全負(fù)荷的情況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右。鋼材的機(jī)械性能隨溫度的不同而有變化，當(dāng)溫度升高時，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的總趨勢是降低的，但在150℃以下時變化不大。

　　五、結(jié)論

　　1、鋼結(jié)構(gòu)廠房、庫房以及民用建筑耐火性能差，火災(zāi)時容易倒塌，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，設(shè)置排煙系統(tǒng)能有效排出建筑內(nèi)的高溫?zé)煔?，有利于人員疏散、火災(zāi)撲救和建筑結(jié)構(gòu)安全。

　　2、大型鋼結(jié)構(gòu)廠房、庫房以及民用建筑多為單層，在頂部結(jié)合采光、通風(fēng)設(shè)置自然排煙窗施工簡單可行。

　　3、目前國內(nèi)生產(chǎn)的易熔自然排煙窗形式多樣，完全可以滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑施工要求。

　　4、自然排煙投入不大，不需專業(yè)維護(hù)保養(yǎng)，排煙效果良好，值得普及推廣。