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火灾条件下建筑结构倒塌原因规律及应对

2010-04-29 14:03    【  【打印】【我要纠错】

  随着经济的发展,高层建筑逐步增多,火灾荷载和不安全因素也随之增加。如果因火灾而造成高层建筑倒塌,必将给救人和灭火带来更大的困难,给担负抢险救援任务的消防队员提出更高的要求和挑战。据调查,美国“9.11”纽约世贸中心倒塌的原因在于大火熔化了支撑钢筋,而不是飞机的直接撞击。因此,在扑救建筑火灾时,要充分考虑建筑的倒塌问题。在美国“9.11”纽约世贸中心爆炸现场灭火的300多名消防人员主要就是因建筑倒塌而丧生。在我国,近年来由于在灭火中因建筑结构破坏、倒塌而造成消防人员伤亡的事故也曾发生。因此,加强建筑结构破坏、倒塌特点和规律的研究探讨,制定切实可行的灭火救援预案,无疑对减少人员伤亡和财产损失具有非常重大的意义。

  一、火灾条件下建筑结构倒塌的原因

  建筑物中建筑构件名目较多,近年来随着一些新材料、新工艺、新技术在建筑领域中的广泛应用,建筑构件的性能也变得越来越复杂,燃烧破坏的特点也趋于多样性。不同建筑构件均具有自身的燃烧性能和耐火极限。 火灾条件下,随着建筑材料和构件的燃烧和破坏,整个建筑结构也必然受到一定的影响,直至遭到局部的破坏或整个的倒塌。结构的倒塌与破坏,是由燃烧和高温条件造成的,倒塌和破坏的原因主要有以下几个方面:

  (1)预应力钢筋混凝土结构遇热,失去预加应力,从而降低结构的承载能力。

  (2)砖石砌体受热变形开裂

  花岗岩因内部石英、长石、云母不同的热变形而碎裂。硅酸盐砌块也因内部的热分散而松散。

  (3)钢结构受热变形

  钢结构受热后,很快出现塑性变形,在火烧15-20min左右,杠件变成“面条”一样,随着局部的破坏,造成整体失去稳定而破坏,而且破坏后的钢结构是无法修复重新使用的。

  (4)木结构表面被烧蚀,削弱了荷重的断面

  木材起火燃烧,表面炭化,如果剩余截面的面积仍能承受原有全部荷重,结构是不会倒塌的。特别是消防队及时到达火场,在扑救火灾时,构件外表面的炭层吸收大量的水,对结构来说,还是一个很好的保护层。所以大断面比较有利。 在加热炉中实验时,可以看到,预应力钢筋混凝土构件,在受热数小时后,便出现较大的变形。显然,这是因为主拉钢筋伸长的结果。所以预应力钢筋混凝土结构在耐火方面的性能,是不如普通钢筋混凝土结构的,必须加厚钢筋保护层的厚度。

  (5)高温下建筑材料的力学性能改变,强度随着温度升高而降低,以及火灾条件下结构产生的热应力,在目前的结构计算中还没有考虑到。

  (6)建筑物内部爆炸的冲击和震动,常是摧毁建筑物的一种主要原因。

  建筑结构的抗爆计算,因冲击波的力量较大,而需与防爆泄压设施同时考虑。

  (7)上部结构倒塌落在楼板上,或灭火积水不能排除,或楼板上的物资大量吸收灭火水流,大大地增加了楼板的荷重,使楼板因大量超载而塌落。

  (8)灭火射水落在高温的砖石、混凝土或钢筋混凝土结构表面,由于突然的冷却造成结构表面因收缩开裂,表皮剥落。

  特别关键的是破坏了钢筋混凝土结构的保护层,在火未熄灭前,使火直接烧到主拉钢筋,钢筋立即失去强度,而使整个结构破坏。

  二、火灾条件下建筑结构破坏的一般规律

  火灾条件下建筑结构的倒塌破坏,往往使室内通风更加良好,加速室内的燃烧,并且会破坏防火分隔物,使火势得以扩大蔓延,为正确实施灭火救人及自救带来极大的困难。因此,掌握建筑倒塌的一般规律,对消防人员来说,是非常必要的。一般说,结构倒塌有以下规律:

  (1)木结构屋顶,整个倒塌的少,局部破坏的多。钢结构屋顶,局部被火烧毁,其余部分往往被烧的部分塌落,也同时由墙头拉到地面上来。

  (2)吊顶、屋架、木楼板、空心墙、泥土墙,易燃建筑等,都是易于倒塌破坏的。

  (3)土坯墙是耐火不燃的,但由于消防射流的强力冲击,也会遭到破坏。

  (4)倒塌的次序,一般是先吊顶,后屋顶,最后是墙壁。

  (5)一般房屋的墙是向里倒的。

  三、火灾条件下几种常见结构破坏的具体情况及一般应对方法

  1、钢结构屋顶

  钢的耐火性差。温度在450-500℃时,承载能力便大大减弱。温度再高,钢材变软,变形显著,屋架翘曲,屋顶随着就会塌落,经过的时间很短,一般在10-20min左右。由于钢结构屋顶空间工作的条件,在屋架之间联结了很多的支撑杆件,因而也就决定了,钢结构屋顶的破坏是整体的,或者是较大部分的,很少是局部的。在钢结构屋顶建筑物内起火时,要防止火直接烧到屋架,但也不要对温度很高的钢结构进行骤然的冷却,因为这些都是加速屋顶塌落的重要原因。使用喷雾水流,或使用直流水枪,对着屋面板射水,借以冷却屋架上弦,在火灾初期是有效的。可以把结构保存下来,不会遭到严重破坏。但灭火人员在扑救时,一定要隐蔽在不会因屋顶倒塌而伤人的安全地点。

  2、钢筋混凝土构件 混凝土是耐火的。对灭火来说,它是比较安全可靠的。普通钢筋混凝土结构的耐火时间,一般都在1h以上。 预应力钢筋混凝土结构,是一种新型结构,承载能力好,省材料,但耐火能力较差。灭火时,要注意其变形(下挠)的情况。

  3、薄壳结构屋顶 薄壳适用于大面积的屋顶。其特点,主要是由于它所用的材料少。薄壳的跨度大,厚度小(钢筋混凝土壳最少25mm,砖壳最少60mm),薄壳周边的支撑是靠两侧的楼板、基础或刚拉杆。 薄壳结构的倒塌是整片的,其原因主要是由于支撑的条件破坏。故起火时,应及时冷却刚拉杆。只要支撑的条件不破坏,就完全有可能避免倒塌,因为壳体本身的耐火性能很高。 当薄壳结构的屋面起火,或者灭火时需要登上薄壳屋顶时,特别要注意,到屋顶上去的人数不能过多,人员要分散,不要集中,最好站在壳的中心,或两侧对称于中心的位置上。

  4、木结构 木构件遇火后,很快就被点着,在表面形成炭层。木材被烧焦的速度是和它的密度及含水率的大小直接练习的,木材燃烧的速度是随着它的密度和含水率的增加而减少的。根据测试,木材向内里燃烧速度的理论平均值为0.6mm/min ,质轻且干木材的燃烧速度的近似值是0.8mm/min,密质的湿木材燃烧速度的近似值是0.4mm/min。在实践中我们可以利用这些数字来估计木构件被燃烧的程度。

  5、墙与烟囱 砖的耐火性好,能经得起高温,而砌成墙壁以后,由于砌筑的质量和沙浆的耐火性能较差,砖墙的耐火性不如砖本身,但一般砖墙承受几小时的火烧是没问题的。可是火灾发生时,砖墙或烟囱也有发生倒塌的,主要原因是:

  (1)框架破坏,框架填充墙也随之破坏。

  (2)因为楼板塌落,或横向墙被破坏,使纵向墙失去了横向的支撑。

  (3)受到意外的水平冲击作用。

  (4)空斗墙、空心砖的砌块变形破坏,失去承载能力。

延伸阅读:建筑结构 原因 火灾
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