CN104790999B - 一种顶部竖井自然通风隧道模型的火灾试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶部竖井自然通风隧道模型及其火灾试验方法。由隧道模型单元连接组成，每个隧道模型单元包括稳定结构体、顶板、竖井基本结构体、竖井内间隔板、组间隔板，所述的稳定结构体用于稳定整个模型试验设备，顶板、竖井基本结构体和组间隔板安装在稳定结构体的顶部，且稳定结构体与顶板配合形成相对封闭的空间结构以模拟隧道，竖井基本结构体用来组装成不同高度的竖井用来实现通风；组间隔板用于改变多个竖井基本结构体的间距，且在竖井基本结构体内安装有竖井间隔板，可以改变竖井的宽度。有益效果是：可以有效提高小尺寸隧道火灾模型试验的重复率；可以充分考虑竖井尺寸参数变化时，对竖井自然排烟的影响。

Description

一种顶部竖井自然通风隧道模型的火灾试验方法

技术领域

本发明涉及一种隧道模型及其火灾试验方法，特别涉及一种顶部竖井自然通风隧道模型及其火灾试验方法。

背景技术

城市地下空间的综合开发是解决城市人口、资源、环境三大难题的重大措施。而城市隧道的运用，是有效利用地下空间，减缓城市交通压力的重要途径。目前我国绝大部分隧道采用机械通风，在能源紧张、降低能耗成为基本国策的背景下，顶部竖井自然通风隧道采用竖井自然通风技术，可有效缓解城市交通需求紧张的局面。顶部竖井自然通风隧道应用于城市交通中，具有低能耗，低造价，低维护等特点，符合绿色城市的发展方向。与机械通风相比，竖井自然通风可节约初期的工程投资和后期的运营费用，具有明显的经济效益。

由于隧道属于狭长，相对封闭的空间，因此发生火灾时烟气浓度大、温度高、火灾蔓延迅速、人员疏散困难等。隧道火灾极易造成严重的人员伤亡、财产损失，还会产生不良的社会影响。因此，隧道火灾一直是人们关注的热点话题之一。针对机械通风隧道火灾的研究成果已经很多，且大部分在工程应用中已经很成熟。由于竖井自然通风隧道发生火灾后烟气的运动规律与机械通风不完全相同，需要有充足的试验数据予以支持。

隧道火灾的研究方法主要有小尺寸、大尺寸、全尺寸试验研究和数值模拟。大尺寸及全尺寸试验由于规模较大，试验费用较高，试验场地有限，使得试验的重复性受到限制。数值模拟研究的准确性依赖于边界条件和物性参数的正确设置，且所建模型的有效性需要试验来验证。因此开展小尺寸试验可以弥补大尺寸及全尺寸试验和数值模拟研究的不足，可以很好满足试验的全面性和可重复性。但竖井对自然排烟的影响因素较多，如竖井宽度、高度、数量、组间距等，进行全面试验，研究每一个影响因素对自然排烟的影响需要大量的试验，且需要投入大量的人力和时间。

与以往改变竖井单一参数对竖井自然排烟的影响的试验研究相比，基于正交试验法的顶部竖井自然通风隧道火灾模型试验设计，可以同时考虑顶部竖井高度、宽度、组间距、个数对隧道内烟气流动的影响。依据不同竖井工况下自然排烟的有效性，可以确定顶部竖井优化组合方案，为工程设计提供参考依据。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种顶部竖井自然通风隧道模型及其火灾试验方法，可以获取顶部竖井高度、竖井宽度、竖井组间距、竖井单间距、竖井数量变化时，烟气的运动规律和竖井自然排烟效果，从而进一步确定顶部竖井优化组合方案。

一种顶部竖井自然通风隧道模型，由一个或一个以上的隧道模型单元连接组成，每个隧道模型单元包括稳定结构体（1）、顶板（2）、竖井基本结构体（3）、竖井内间隔板（4）、组间隔板（5），所述的稳定结构体（1）用于稳定整个模型试验设备，顶板（2）、竖井基本结构体（3）和组间隔板（5）安装在稳定结构体（1）的顶部，且稳定结构体（1）与顶板（2）配合形成相对封闭的空间结构以模拟隧道，竖井基本结构体（3）用来组装成不同高度的竖井用来实现通风；组间隔板（5）用于改变多个竖井基本结构体（3）的间距，且在竖井基本结构体（3）内安装有竖井间隔板（4），可以改变竖井的宽度。

上述的稳定结构体（1）包括稳定框架（6）、侧面立板（7）、顶板滑移滚轮（8）、螺栓连接结构（9）、万向轮（10）、单元结合凹槽（11）、竖井固定凹槽（12）、单元结合凸体（13），所述的稳定框架（6）提供隧道模型的框架空间，其两侧设有侧面立板（7），通过侧面立板（7）与底板形成凹形空间，并与顶部活动连接的顶板（2）形成相对封闭的空间结构以模拟隧道；所述的顶板（2）通过顶板滑移滚轮（8）与稳定框架（6）配合移动，在稳定框架（6）的两个端部设有螺栓连接结构（9），用于将多个相同的隧道模型单元固定连接，且在稳定框架（6）的一端设有单元结合凹槽（11），另一端设有单元结合凸体（13），用于保证多个相同的隧道模型单元组合后的密封性。

上述的顶板（2）为矩形结构的透明板，且在一侧设有顶板把手（15），在顶板（2）的四周上侧设有顶板凹槽（14），通过顶板凹槽（14）与竖井固定凸体（17）的一边结合，保证竖井稳定和密封。

上述的竖井基本结构体（3）的底部设有一圈竖井固定凸体（17），竖井固定凸体（17）与顶板凹槽（14）结合，保证竖井稳定和密封；在竖井基本结构体（3）的内部设有可以改变竖井的宽度的竖井间隔板（4），且在竖井间隔板（4）的顶部和竖井基本结构体（3）的顶部设有一圈竖井高度组合凹槽（16）。

上述的竖井间隔板（4）为直角形状，一个直角边设在竖井基本结构体（3）的内腔，另一个直角边在底部伸到竖井基本结构体（3）的外侧，且在另一个直角边的外端设有竖井内间隔板把手（18），并且在竖井间隔板（4）的外侧设有竖井内间隔板凸体（19）。

上述的组间隔板（5）上设有组间隔板固定凸体（20）、组间隔板组合凹槽（21）和组间隔板组合凸体（22），所述的组间隔板固定凸体（20）将组间隔板（5）与竖井固定凹槽（12）和顶板凹槽（14）结合，实现组间隔板（5）的固定；

上述的竖井基本结构体（3）与竖井基本结构体（3）相连组成竖井组，通过竖井侧面凹槽（23）和竖井侧面凸体（24）相结合能够实现竖井组的固定。

上述的组间隔板（5）与竖井组相连可通过组间隔板组合凹槽（21）和竖井侧面凸体（24）相连；或组间隔板组合凸体（22）和竖井侧面凹槽（23）相连实现稳定和密封；也可以在相邻两个竖井之间增加单个间隔板以改变相邻两个竖井的间距。

本发明提到的一种顶部竖井自然通风隧道模型的使用方法，包括以下步骤：

在确定隧道模型的总体长度后，将多个相同的隧道模型单元依次连接，其中相邻两个隧道模型单元的单元结合凸体（13）应插入单元结合凹槽（11）中，并通过螺栓连接结构（9）紧固；

当改变竖井宽度时，通过顶板把手（15）将顶板（2）推拉至指定位置，然后将竖井固定凸体（17）插接到竖井固定凹槽（12）和顶板凹槽（14）中以将竖井固定，通过推拉竖井内间隔板把手（18）可以改变竖井的宽度；

当改变竖井高度时，只需在第一层竖井上方叠加不同高度的竖井，通过竖井高度组合凹槽（16）将第二层及以上层数的竖井固定；

当改变竖井数量时，可依次将竖井侧面凸体（22）插接到竖井侧面凹槽（23）中，以实现不同数量的竖井组合相连；

当改变竖井组间距时，按照试验要求将多块组间隔板组合凸体（20）依次插接到组间隔板固定凹槽（21）内，即可实现竖井组间距变化；

当改变单个竖井间距时，在相邻两个竖井中间可增加一块组间隔板（5），组间隔板的尺寸可根据实验要求进行定制，组间隔板与竖井相连可通过将竖井侧面凸体（24）插接到组间隔板组合凹槽（21）中或将组间隔板组合凸体（22）插接到竖井侧面凹槽（23）中实现稳定和密封，隧道模型单元可通过万向轮（10）进行移动，进行火灾试验。

本发明的有益效果是：本发明可以有效提高小尺寸隧道火灾模型试验的重复率；可以充分考虑竖井尺寸参数变化时，对竖井自然排烟的影响；通过正交试验法可以考虑竖井尺寸参数同时变化时，各参数对自然排烟效果影响的重要程度，进而确定顶部开口优化组合方案。

附图说明

附图1是本发明的隧道模型单元示意图；

附图2是本发明的稳定结构体的结构示意图；

附图3是本发明的顶板示意图；

附图4是本发明的竖井组合的俯视图；

附图5是本发明的竖井组合的仰视图；

附图6是本发明的竖井内间隔板示意图；

附图7是本发明的组间隔板示意图；

附图8是本发明的竖井基本结构体示意图；

上图中：稳定结构体1、顶板2、竖井基本结构体3、竖井内间隔板4、组间隔板5、稳定框架6、侧面立板7、顶板滑移滚轮8、螺栓连接结构9、万向轮10、单元结合凹槽11、竖井固定凹槽12、单元结合凸体13、顶板凹槽14、顶板把手15、竖井高度组合凹槽16、竖井固定凸体17、竖井内间隔板把手18、竖井内间隔板凸体19、组间隔板固定凸体20，组间隔板组合凹槽21，组间隔板组合凸体22、竖井侧面凹槽23，竖井侧面凸体24。

具体实施方式

参照附图1，本发明提到的一种顶部竖井自然通风隧道模型，由一个或一个以上的隧道模型单元连接组成，每个隧道模型单元包括稳定结构体1、顶板2、竖井基本结构体3、竖井内间隔板4、组间隔板5，所述的稳定结构体1用于稳定整个模型试验设备，顶板2、竖井基本结构体3和组间隔板5安装在稳定结构体1的顶部，且稳定结构体1与顶板2配合形成相对封闭的空间结构以模拟隧道，竖井基本结构体3用来组装成不同高度的竖井用来实现通风；组间隔板5用于改变多个竖井基本结构体3的间距，且在竖井基本结构体3内安装有竖井间隔板4，可以改变竖井的宽度。

参照附图2，稳定结构体1由稳定框架6、侧面立板7、顶板滑移滚轮8、螺栓连接结构9、万向轮10组成。稳定框架6用于承受顶板压力，并提供隧道模型的框架空间。侧面立板7选用透明耐热的材料制成，以方便观察试验现象。顶板滑移滚轮8用于辅助顶板滑动。螺栓连接结构9用于将多个相同的隧道模型单元固定连接起来。单元结合凹槽11的深度与其对应位置的单元结合凸体13的厚度相同，可以保证多个相同的隧道模型单元组合后的密封性。

顶板凹槽14与竖井固定凸体17其中的一边结合，既能够保证竖井稳定，又能够实现密封效果。顶板把手15用于推拉顶板，方便其移动。

竖井高度组合凹槽16是为了在改变竖井高度时，便于上一层竖井的叠加。竖井内间隔板把手18是为了方便竖井内间隔板的移动而设置的，通过移动这个把手可以改变竖井沿隧道横向方向上的宽度。

竖井内间隔板凸体19是将竖井内间隔板底板的两个边做成矩形凸体状，而在竖井内的相应位置开对应的矩形凹槽，以便于通过竖井内间隔板把手18推拉竖井内间隔板4，从而改变竖井宽度。

组间隔板固定凸体20，是为了将组间隔板5与竖井固定凹槽12和顶板凹槽14结合，从而实现组间隔板5的固定。

竖井与竖井相连组成竖井组，通过竖井侧面凹槽23和竖井侧面凸体24相结合能够实现竖井组的固定。组间隔板与竖井组相连可通过组间隔板组合凹槽21和竖井侧面凸体24相连或组间隔板组合凸体22和竖井侧面凹槽23相连实现稳定和密封。也可以在相邻两个竖井之间增加单个间隔板以改变相邻两个竖井的间距，单个间隔板的制作方法与组间隔板的制作方法相同。

由此，基于本隧道模型试验单元可以改变竖井高度、竖井宽度、竖井组间距、竖井单间距、竖井数量等参数，由于顶板具有移动性，还可以将隧道顶部进行全封闭，从而还可以进行封闭隧道火灾试验。

本发明的顶部竖井自然通风隧道模型的具体操作如下：

在确定隧道模型的总体长度后，将多个相同的隧道模型单元依次连接，其中相邻两个隧道模型单元的单元结合凸体13应插入单元结合凹槽11中，并通过螺栓连接结构9紧固。当改变竖井宽度时，通过顶板把手15将顶板2推拉至指定位置，然后将竖井固定凸体17插接到竖井固定凹槽12和顶板凹槽14中以将竖井固定，通过推拉竖井内间隔板把手18可以改变竖井的宽度。当改变竖井高度时，只需在第一层竖井上方叠加不同高度的竖井，通过竖井高度组合凹槽16将第二层及以上层数的竖井固定。当改变竖井数量时，可依次将竖井侧面凸体22插接到竖井侧面凹槽23中，以实现不同数量的竖井组合相连。当改变竖井组间距时，按照试验要求将多块组间隔板组合凸体20依次插接到组间隔板固定凹槽21内，即可实现竖井组间距变化。当改变单个竖井间距时，在相邻两个竖井中间可增加一块组间隔板5，组间隔板的尺寸可根据实验要求进行定制，组间隔板与竖井相连可通过将竖井侧面凸体24插接到组间隔板组合凹槽21中或将组间隔板组合凸体22插接到竖井侧面凹槽23中实现稳定和密封。隧道模型单元可通过万向轮10进行移动。

本发明的基于正交试验法的顶部竖井自然通风隧道火灾模型试验方法具体如下：选择竖井宽度、竖井高度、竖井组间距、竖井单间距、竖井数量等因子，或选择其中的某些因子作为竖井自然排烟效果的影响因素。确定这些可控因子的水平，如竖井宽度可选择60mm作为第一水平，260mm作为第二水平等。确定了影响因子及因子水平之后，可以选取合适的正交表进行试验，如确定了9次试验，有4个影响因子，每个影响因子的水平数为3，则可以选择L₉(3⁴)正交表。其次，确定考核指标，即反映自然通风排烟效果的指标。如顶棚附近最高烟气温度、烟气扩散速率、烟气的沉降速率、人员高度处烟气的温度、人员高度处的CO浓度等。最后，应用本发明的试验设备，可以顺利地改变竖井宽度、竖井高度、竖井组间距、竖井单间距、竖井数量等因子，从而达到试验的目的要求。当竖井参数变化时，考核指标值越小越好，因此，可根据得到的结果进行方差分析。

本发明的试验结果及分析：

由于影响竖井自然通风的因素较多，如上面提到的竖井高度、竖井宽度、竖井组间距、竖井单间距、竖井数量等，而进行全面试周期长，且需耗费大量人力和物力。与以往试验相比，本发明的试验设备及结合正交试验法进行试验的方法，能够同时改变竖井参数，减少试验次数，通过较少试验即可找到影响竖井排烟影响因素的重要程度，并且能够确定顶部开口优化组合方案。

由于本发明的试验设备能够容易改变这些参数，因此结合正交试验，可以对竖井自然通风隧道火灾进行研究。

Claims (1)

1.一种应用顶部竖井自然通风隧道模型的火灾试验方法，其特征是：

所述顶部竖井自然通风隧道模型包括：由一个以上的隧道模型单元连接组成，每个隧道模型单元包括稳定结构体（1）、顶板（2）、竖井基本结构体（3）、竖井内间隔板（4）、组间隔板（5），所述的稳定结构体（1）用于稳定整个模型试验设备，顶板（2）、竖井基本结构体（3）和组间隔板（5）安装在稳定结构体（1）的顶部，且稳定结构体（1）与顶板（2）配合形成相对封闭的空间结构以模拟隧道，竖井基本结构体（3）用来组装成不同高度的竖井用来实现通风；组间隔板（5）用于改变多个竖井基本结构体（3）的间距，且在竖井基本结构体（3）内安装有竖井间隔板（4），可以改变竖井的宽度；

所述的稳定结构体（1）包括稳定框架（6）、侧面立板（7）、顶板滑移滚轮（8）、螺栓连接结构（9）、万向轮（10）、单元结合凹槽（11）、竖井固定凹槽（12）、单元结合凸体（13），所述的稳定框架（6）提供隧道模型的框架空间，其两侧设有侧面立板（7），通过侧面立板（7）与底板形成凹形空间，并与顶部活动连接的顶板（2）形成相对封闭的空间结构以模拟隧道；所述的顶板（2）通过顶板滑移滚轮（8）与稳定框架（6）配合移动，在稳定框架（6）的两个端部设有螺栓连接结构（9），用于将多个相同的隧道模型单元固定连接，且在稳定框架（6）的一端设有单元结合凹槽（11），另一端设有单元结合凸体（13），用于保证多个相同的隧道模型单元组合后的密封性；

所述的顶板（2）为矩形结构的透明板，且在一侧设有顶板把手（15），在顶板（2）的四周上侧设有顶板凹槽（14）；

所述的竖井基本结构体（3）的底部设有一圈竖井固定凸体（17），竖井固定凸体（17）与顶板凹槽（14）结合，保证竖井稳定和密封；

在竖井基本结构体（3）的内部设有可以改变竖井的宽度的竖井间隔板（4），且在竖井间隔板（4）的顶部和竖井基本结构体（3）的顶部设有一圈竖井高度组合凹槽（16）；

所述的竖井间隔板（4）为直角形状，一个直角边设在竖井基本结构体（3）的内腔，另一个直角边在底部伸到竖井基本结构体（3）的外侧，且在另一个直角边的外端设有竖井内间隔板把手（18），并且在竖井间隔板（4）的外侧设有竖井内间隔板凸体（19）；

所述的组间隔板（5）上设有组间隔板固定凸体（20）、组间隔板组合凹槽（21）和组间隔板组合凸体（22），所述的组间隔板固定凸体（20）将组间隔板（5）与竖井固定凹槽（12）和顶板凹槽（14）结合，实现组间隔板（5）的固定；

所述的竖井基本结构体（3）与竖井基本结构体（3）相连组成竖井组，通过竖井侧面凹槽（23）和竖井侧面凸体（24）相结合能够实现竖井组的固定；

其中，所述的火灾试验方法包括以下步骤：在确定隧道模型的总体长度后，将多个相同的隧道模型单元依次连接，其中相邻两个隧道模型单元的单元结合凸体（13）应插入单元结合凹槽（11）中，并通过螺栓连接结构（9）紧固；

当改变竖井宽度时，通过顶板把手（15）将顶板（2）推拉至指定位置，然后将竖井固定凸体（17）插接到竖井固定凹槽（12）和顶板凹槽（14）中以将竖井固定，通过推拉竖井内间隔板把手（18）可以改变竖井的宽度；

当改变竖井高度时，只需在第一层竖井上方叠加不同高度的竖井，通过竖井高度组合凹槽（16）将第二层以上层数的竖井固定；

当改变竖井数量时，可依次将竖井侧面凸体（24）插接到竖井侧面凹槽（23）中，以实现不同数量的竖井组合相连；

当改变竖井组间距时，按照试验要求将多块组间隔板组合凸体（20）依次插接到组间隔板固定凹槽（21）内，即可实现竖井组间距变化；

当改变单个竖井间距时，在相邻两个竖井中间可增加一块组间隔板（5），组间隔板的尺寸可根据实验要求进行定制，组间隔板与竖井相连可通过将竖井侧面凸体（24）插接到组间隔板组合凹槽（21）中或将组间隔板组合凸体（22）插接到竖井侧面凹槽（23）中实现稳定和密封，隧道模型单元可通过万向轮（10）进行移动，进行火灾试验。