建筑物火灾作用下倒塌规律及应对措施

发布时间: 2016-11-08  文章作者: 访问次数: 1

建筑物火灾作用下倒塌规律及应对措施


近年来,随着我国经济建设的飞速发展,建筑物火灾比例呈上升趋势。此类火灾致人死伤数量令人触目惊心,而造成的直接财产损失也呈直线上升之势。此类火灾事故不仅给消防部队的灭火和抢险救援工作带来了极大危险,而且对于公安消防机构的防火监督工作提出了更大的挑战。美国纽约“9.11”世贸中心遭恐怖袭击而发生倒塌,造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案;青岛即墨正大食品公司厂房发生火灾导致钢结构屋架倒塌,致使20多名员工因未能及时疏散而被埋压在厂房内;湖南衡阳“11.3”大火造成的建筑倒塌事故,导致20名消防官兵牺牲,创造了新中国一次火灾事故消防官兵牺牲之最。频发的建筑火灾倒塌事故,为新时期的消防工作提出了严峻的挑战。积极研究和探讨各类结构建筑物在火灾作用下的破坏、倒塌特点和规律,严格建筑设计防火审核和验收,制定切实可行的灭火救援预案,对于减少此类火灾事故中的人员伤亡和财产损失具有非常重要的现实意义。

一、火灾作用下几种常见结构建筑倒塌的一般规律

建筑构件材料种类繁多,传统的建筑材料有砖、木、水泥、沙石,而近年来随着钢铁、塑料等新型材料的大量应用,钢结构、薄壳结构、网架结构等建筑结构形式日趋增多,建筑构件的理化性质也越来越复杂,燃烧破坏的特点也呈现多样性、复杂性。不同建筑构件和材料均具有自身的燃烧性能和耐火极限,在不同火灾条件下,也会呈现不同的变形和倒塌形式,有的是局部的破坏,有的是局部倒塌造成全面倒塌,有的是整个建筑迅速全面倒塌。

(一)砖(土)木结构建筑:

砖(土)结构建筑建造年代比较久远,常见于广大农村,其一般墙体一般使用粘土砖或土坯砌筑、房顶使用木材等建筑材料建造而成。木材起火燃烧,其表面会被炭化烧蚀,从而削弱了横截面面积,造成承载力下降而发生倒塌。如果剩余截面的面积仍能承受原有全部重量,结构则不会发生倒塌。消防队到达火场扑救火灾时,由于木构件外表面炭化层吸收了大量的水份,能够形成一个很好的保护层,一般不容易发生倒塌。因此木结构建筑物的屋顶,整体倒塌较少,而局部损坏较多。

砖的耐火性好,能够经得起高温,而砌成墙壁以后,由于砌筑的质量和沙浆的耐火性能差等原因,砖墙的耐火性不如砖本身,但一般砖墙的耐火极限都是比较高的,如24双面抹灰非承重普通粘土砖实体墙的耐火极限为8小时,一般砖墙在火灾下承受几小时是没问题的,一般不会发生倒塌。

土坯墙耐火且不燃,但土坯在受到水的浸泡会吸收水份导致软化,在水枪射流的强力冲击会遭到破坏失去承载力而发生坍塌。

(二)混合结构建筑:

混合结构建筑主要是墙体采用粘土砖、砌块、石等建筑材料,用沙浆砌筑而成,楼面用楼板或现浇混凝土构筑而成的建筑物。此类建筑物所使用的建筑材料为粘土砖、砌块、石、混凝土等非燃烧材料,各建筑构件的耐火极限都比较高。如24普通粘土砖实体承重墙的耐火极限为5.5小时,即在标准耐火试验条件下,此类墙体在5.5小时内不会失去承载能力或发生破坏。但在火灾负荷大的建筑发生火灾时,温度可超过1000°C,砌体的向火面和背火面温差很大,内部会产生很大的应力,同时碳酸盐、硅酸盐在高温下会发生分解反应,而使砌体破坏。因此,在火灾作用下,混合结构建筑物的建筑构件在其耐火极限内一般不会被破坏,但在高温的长时间作用下,建筑物可能会发生局部坍塌,一般不会发生大面积倒塌事故。

(三)钢筋混凝土结构建筑:

钢筋混凝土结构常见于一些大跨度的厂房、车间、仓库和高层建筑物等,包括框架结构、排架结构、剪力墙结构等。此类建筑结构的主要承重构件为钢筋混凝土构件,其粘土砖、砌块构成的墙体只起到分隔和功能划分作用。

钢筋、水泥、砂石等钢筋混凝土建材在高温作用下的理化性能发生改变,强度随着温度升高而呈不同的变化,这些构件在火灾作用下会产生的怎样的应力变化,这一领域目前还没有人进行细致研究。但混凝土内的钢筋受到温升的影响抗拉强度会降低,碳酸盐、硅酸盐在高温下会发生分解反应,而使砌体破坏,因此,钢筋的保护层厚度对于梁、楼板等抗拉性钢筋混凝土结构构件的耐火极限影响非常大。如简支的非预应力钢筋混凝土梁,在保护层厚度为1CM时其耐火极限为1.2小时,在4CM是为2.9小时,因此增加抗拉性钢筋混凝土结构构件的保护层厚度能够有效提高构件的耐火极限。

预应力钢筋混凝土结构遇热,会造成预应力钢筋失去预应力,从而降低结构的承载能力。预应力钢筋混凝土结构在耐火方面的性能,不如普通钢筋混凝土结构的,必须加厚钢筋保护层的厚度,才能延长其耐火极限,保证建筑物和人员物资的安全。

钢筋混凝土结构属于超静定结构,在火灾的作用下,某个构件破坏可能造成局部坍塌,但一般不会发生大面积倒塌。

(四)钢结构建筑:

钢结构具有性能稳定、质轻而高强、加工精度高、装配性能好、施工周期短等优点,目前被广泛应用于宾馆、饭店、展览馆等民用公共建筑和厂房、仓库等工业建筑。钢材具有较好的耐热性,但耐热而不耐高温,随着温度的升高,钢材的强度会逐渐降低。据试验,当钢结构构件温度达到350℃500℃600℃时,强度分别下降1/31/22/3。一旦达到500℃钢结构构件就会发生急剧软化而导致瞬时崩溃倒塌。无保护层的钢柱、钢梁、钢屋架等钢结构构件的耐火极限为0.25小时即15分钟,也就是说在火灾作用下,15分钟后钢结构随时有可能失去承载力而发生倒塌。

网架结构是钢结构建筑的一种,是由许多钢杆件按照一定的规律通过钢节点连接起来的大空间结构体系。由于钢材的耐火性差,在温度达到500℃时承载力急剧降低,火灾作用下经过一段时间,钢构件即软化翘曲、变形显著,导致屋顶塌落破坏。一般钢结构屋顶工作空间相对较大,相互联结着大量支撑杆件,因此网架结构的倒塌破坏一般是整体性的,或者是较大部分的,而很少有局部的倒塌。

(五)薄壳结构:

薄壳结构适用于大面积的屋顶,所用的材料较少,其特点是跨度大、厚度小、质量轻,其周边靠两侧的楼板、基础或钢拉杆来支撑。

薄壳结构的倒塌是整片的,壳体本身的耐火性能很高,其倒塌的原因主要是由于支撑条件的破坏。只要支撑的条件不破坏,就完全有可能避免倒塌,故起火时,应及时冷却钢拉杆,以防止支撑条件的破坏。

除了火灾造成的倒塌外,建筑物内外部爆炸物的冲击和破坏,也是造成建筑倒塌的重要原因。另外,建筑上层结构的塌落物对下层结构造成的冲击,或者楼板上的物资大量吸收积水,大大地增加了楼板的负荷,导致承重结构无法承受巨大的荷载而发生塌落。


二、应对建筑物火灾倒塌的预防措施

不同结构建筑的倒塌原因是不同的,倒塌现场情况也是千差万别的,即使同一类结构建筑也绝不能一概而论。防火部门应重视建筑工程建设前的防火设计审核工作,要把握好建筑构件的防火性能和耐火极限,在经济合理的基础上尽量提高建筑物的耐火等级。消防队也应了解不同结构建筑的倒塌规律,分析和总结经验,在灭火救援时要采取预防措施,搞好个人防护,时刻保持警惕,防止人员伤亡事故的发生。

(一)钢结构屋顶

钢结构屋顶的建筑内起火时,要防止火直接烧到屋架,要使用开花水枪或直流水枪,对屋架周围的屋面板墙体和空气进行冷却性的射水,以冷却和保护屋架,防止结构整体遭到严重破坏,防止屋顶倒塌而伤人,这在火灾初期是必须和十分有效的。但也不要对温度很高的钢结构进行立即冷却,防止屋架加速塌落。在灭火战斗时,战斗员要充分依托有利地形,占据房屋门口等部位进行射水灭火。

(二)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,要通过其变形的情况判断是否有倒塌的危险。

(三)薄壳结构屋顶

火灾对薄壳结构的破坏往往是对支撑的条件而导致的,因此其倒塌往往是大面积的甚至整片的。所以扑救火灾是时首先要及时冷却钢拉杆,避免支撑的条件破坏,防止薄壳结构大面积倒塌。

需要注意的是,当薄壳结构的屋面起火,战斗员一般不要上其屋面;当必须登上薄壳屋顶才能扑救火灾时,上屋顶的人数不能过多且要分散,停留位置最好在壳的中心,或对称于中心的两侧位置。

(四)木结构

木构件遇火后,很快就会燃烧。在表面形成炭化层。木材被烧焦的速度是和它的密度及含水率的大小直接联系的。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。根据实测,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。密质且湿木材燃烧速度的近似值是0.4mm/min。在灭火中我们可以利用这些数字来估计木构件被燃烧的程度。

(五)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)受到外力的水平冲击作用。

4)空斗墙、空心砖的砌块变形破坏,失去承载能力。


摘自:中国建筑学会抗震防灾分会高层建筑抗震专业委员会   2007.10.11


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