CN109003501A - 一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模拟研究建筑防火间距的火灾实验装置及实验方法。该实验装置包括主体框架、燃烧室、目标墙体、模拟火源以及测量系统;主体正面安装有模块化墙板组成的外墙,燃烧室位于实验装置首层,目标墙体位于燃烧室正对面,火源采用可控制燃气流量的多孔燃烧器,测量系统包括温度测量装置、辐射热流密度测量装置,通过改变目标墙体与外墙之间的间距、开口尺寸、火源的火灾功率以及不同燃烧性能的外墙饰面材料,可开展研究建筑火灾产生的火焰和高温从外墙上的开口向相邻建筑外墙蔓延特性和行为的模拟实验,从而为加强建筑之间火灾蔓延规律的认识、开展建筑防火间距的优化设计,提供科学的参考意义和有力的技术支持。

Description

一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及一种建筑防火模拟实验装置,特别涉及一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置及实验方法。
背景技术
防火间距是防止建筑之间火势蔓延的重要建筑防火措施。影响防火间距的因素较多,条件各异,在确定防火间距时,主要考虑飞火、热对流和热辐射等的作用。其中,火灾的热辐射作用是主要方式。热辐射强度与灭火救援力量、火灾延续时间、可燃物的性质和数量、外墙上开口面积的大小、建筑物的长度和高度以及气象条件等有关,但实际工程中不可能都一一考虑。因此,在确定建筑间的防火间距时,往往需要综合考虑防止火势向邻近建筑蔓延扩大、当前消防扑救力量、节约用地、火灾实例和灭火救援的实际经验等各种因素。
虽然影响防火间距的因素很多,但是建筑火灾从窗口的热辐射强度是确定防火间距的基础。为合理确定防火间距,目前国内外主要采用小型模拟实验和计算机模拟相结合的方式。小尺寸模拟实验主要通过引入相似理论并建立缩尺模型,多用于火灾蔓延和烟气运动的基本规律和现象、探究主要因素影响方面的研究。受火灾规模和材料尺寸的影响,建筑材料在实际火灾条件下的行为、构造形状及尺寸的影响等,这些都是中小尺度实验中难以研究解决的问题。此外,也有部分研究人员采用固定式钢筋混凝土结构的实验装置来研究建筑之间的热辐射强度,但利用固定式实验装置研究影响热辐射强度的因素时,调整开口尺寸、防火间距、外墙上饰面材料的燃烧性能等均存在较大困难,费时费力,不利于开展全面、系统的研究。
因此,构建一个模拟建筑火灾产生的火焰和高温从外墙上的开口向相邻建筑外墙蔓延特性和行为的实验装置并建立其实验方法,特别是可以方便地调整目标墙体与外墙之间的间距、开口尺寸、火灾功率以及外墙上饰面材料的燃烧性能,显得尤为重要。
发明内容
为研究建筑火灾从外墙上的开口向相邻建筑外墙蔓延的特性和行为,特别目标墙体与外墙之间的间距、开口尺寸、火灾功率以及外墙上饰面材料的燃烧性能等主要因素对建筑之间火灾蔓延的影响,本发明提供了一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置及实验方法,具体技术方案是,一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置,包括主体框架、燃烧室、目标墙体、测量系统、火源,其特征在于:所述的主体框架为高度不小于两层实际建筑高度的钢结构框架,主体框架正面安装有外墙,外墙固定模块化墙板;所述的燃烧室位于主体钢结构框架首层的外墙后侧,其余三面燃烧室墙体采用模块化墙板固定于主体框架的钢结构框架上,顶部采用轻钢龙骨填充岩棉并固定防火板复合组成的楼板固定于主体框架楼层间的钢结构框架上,外墙与两侧的燃烧室墙体成密封态,后墙居中位置开有0.9m宽,2.0m高的门,燃烧室正面外墙的居中位置设置开口,其尺寸模拟真实着火房间开口尺寸,燃烧室四周墙体内侧及楼板底部的防火板表面固定一层硅酸铝棉毡进行防火保护,燃烧室中心放置火源;所述的目标墙体其尺寸与燃烧室外墙尺寸相同,目标墙体采用轻钢龙骨框架,表面钉胶合木板,目标墙体固定在下端面安装有滚轮的底座上,并通过斜支撑加固以保持稳定,目标墙体位于燃烧室正对面;所述的测量系统包括热电偶束、热电偶、辐射热流计,热电偶束由四个热电偶连接成串,热电偶之间的垂直间距为500mm,燃烧室内置有两束热电偶束,其中一束位于燃烧室中线且在模拟火源与外墙内壁的中间,另一束位于燃烧室中线且在模拟火源与侧墙内壁的中间,热电偶束顶部的热电偶距燃烧室天花板的高度为200mm,在燃烧室开口的中心点和开口上沿中线各布置一个热电偶,在外墙外壁中线上布置若干热电偶,最下面一个热电偶距离开口上沿的垂直距离为1000mm,其他热电偶之间的垂直间距为1000mm,在目标墙体正对燃烧室一侧的表面上布置若干热电偶和热流辐射计,均位于目标墙体的中线上,
最下面一个热电偶距离开口上沿的垂直距离为1000mm,其他热电偶之间的垂直间距为1000mm,在目标墙体正对燃烧室一侧的表面上布置若干热电偶和热流辐射计,均位于目标墙体的中线上,最下第一层热电偶和热流辐射计位于开口的中心点高度,第二层热电偶和热流辐射计位于开口上沿高度,其上按照1000mm的垂直间距依次布置多层热电偶和热流辐射计,测量系统与与数据采集系统进行连接;所述的火源包括多孔燃烧器、燃气管道、流量控制器、减压阀门和燃气瓶,多孔燃烧器用燃气管道(5-2)经流量控制器、减压阀门和燃气瓶连通。
所述的模块化墙板采用C型轻钢龙骨填充岩棉,表面采用螺钉固定纤维增强硅酸钙板复合组成,模块化墙板两侧的分别为凹、凸结构,互相配合。
实验方法包括以下步骤:步骤一:实验装置的安装和调整,(一)、在外墙上安装不同高度和宽度的模块化墙板,按照实验需求,调整开口大小,(二)、按照实验需求,调整燃烧室的外墙和目标墙体之间的防火间距,(三)、按照实验需求,在外墙(1-1)可表面安装可燃饰面挂板,(四)、按测试要求,安装热电偶束、热电偶和热流辐射计;步骤二:实验准备,(一)、环境参数记录:记录实验条件下的环境温度、空气视图、大气压力、风速、风向及大气稳定程度环境参数,(二)、安全检查:检查燃气瓶有无破损和结霜现象,检查燃气管道有无明显的破损,检查减压阀门是否能正常工作,(三)、把测量系统与数据采集系统进行连接,(四)、点燃火源前5min开始数据采集和摄像记录,如果测点热电偶或热流辐射计出现数据异常,对测量仪器和数据采集系统进行排查,保证数据采集的正确性;步骤三:进行火灾模拟实验,(一)、点燃多孔燃烧器,根据实验火灾功率的需求控制燃气流量,记录实验过程中的图像和数据,(二)、实验过程中观察并记录外墙和目标墙体在点火后发生的变化及其发生时间,包括墙体整体或局部出现变形、破裂、脱落等情况及其发生时间,(三)、如果出现燃烧室的墙体或楼板天花板脱落、失效出现威胁平台结构或人员安全的因素、目标墙体表面的胶合木板被引燃的现象,可即时关闭减压阀门并终止实验;否则,应持续至少30min的火灾时间;步骤四:评估实验结果,(一)实验结束后,关闭测量系统,放空燃气管道中的燃气,(二)待实验装置自然冷却后,对实验装置及目标墙体进行仔细观察,评估燃烧室、外墙及目标墙体的受火情况,并做好文字和图像记录,包括燃烧室内天花板和燃烧室墙体表面硅酸铝棉毡的完整情况、模块化墙板的破裂及脱落等情况、目标墙体表面胶合木板的炭化和燃烧情况。
本发明的有益技术效果是,专门针对建筑防火间距进行全尺寸模拟研究的实验装置,可方便调整间距、可快速调整开口的尺寸;可以根据研究需求控制火源功率,精度高;可对防火间距防止相邻建筑之间火灾蔓延的火灾模拟实验效果和数据进行全方位的测量和研究。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明的外墙正面视图;
图3为本发明的模块化墙板横截面结构图;
图4为本发明的燃烧室的结构俯视图;
图5为本发明的模拟火源结构示意图;
图6为本发明的安装有外挂板的外墙剖面试图;
图7为本发明的安装有外挂板的外墙横截面试图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。
实施例一
参见图1、图2,实验装置包括实验装置主体框架1、燃烧室2、目标墙体3、测量系统4、模拟火源5,实验装置主体1为3层的钢结构框架,正面安装有外墙1-1,外墙1-1由多块模块化墙板1-2组成,燃烧室2位于实验装置主体1首层,其余三面燃烧室墙体2-1也采用模块化墙板1-2,顶部采用轻钢龙骨填充岩棉并固定防火板复合组成的楼板2-2,外墙1-1与两侧的燃烧室墙体2-1成密封态,燃烧室2内宽度4.5m、深4.0m、高2.7m,外墙上安装模块化墙体并形成宽度×高度为2.4m×1.8m的开口,后墙居中位置开宽度×高度为0.9m×2.0m的门;
参见图3,模块化墙板1-2采用C型轻钢龙骨1-4填充岩棉1-5,表面采用螺钉固定纤维增强硅酸钙板1-6复合组成,模块化墙板1-2两侧采用凹、凸构造,进行快速、准确装配安装;
参见图1,目标墙体3位于燃烧室2正对面,其尺寸与燃烧室外墙1-1尺寸相同,目标墙体3固定在可移动的底座3-1上,并通过斜支撑3-2加固以保持稳定,底座3-1下安装有滚轮3-3,调整目标墙体的位置,使目标墙体和燃烧室外墙之间的水平距离为6m;
参见图1、图2,测控系统4包括热电偶束4-1、热电偶4-2、辐射热流计4-3,在开口1-3的中心点和开口1-3上沿中线上各布置一个热电偶4-2,外墙1-1外侧表面上布置若干热电偶4-2,均位于外墙中线上,最下面一个热电偶4-2距离开口1-3上沿的垂直距离为1000mm,其他热电偶4-2之间的垂直间距为1000mm;
参见图1,在目标墙体3正对燃烧室一侧表面上布置若干热电偶4-2和热流辐射计4-3,均位于目标墙体3的中线上,最底部的热电偶4-2和热流辐射计4-3位于开口1-2中心点高度,其上的热电偶4-2和热流辐射计4-3位于开口1-2上沿高度,其余向上按照1000mm的垂直间距依次布置热电偶4-2和热流辐射计4-3;
参见图4,热电偶束4-1由4个热电偶4-2连接成串,热电偶4-2之间的垂直间距为500mm,燃烧室2内置有两束热电偶束4-1,其中一束位于燃烧室2中线且在模拟火源5与外墙1-1的中间,另一束位于燃烧室2中线且在模拟火源5与侧墙2-1的中间,热电偶束4-1顶部的热电偶4-2距燃烧室2天花板的高度为200mm;
参见图4、图5,模拟火源5放置在燃烧室2中心,模拟火源5模拟火源由四个多孔燃烧器5-1组成,所需的燃气由燃气管道5-2供给,燃气通过减压阀门5-4和流量控制器5-3,进入多孔燃烧器5-1点火燃烧,可以根据研究需求控制火源功率,精度高,燃气管道5-2从燃烧室2地板下方接入多孔燃烧器5-1,安全度高;
防火间距的燃烧模拟实验过程:
把温度测量装置、辐射热测量、称重测量系统与数据采集系统进行连接,并在点火前5min开始数据采集和摄像记录;点燃多孔燃烧器5-1,按照曲线控制燃气的供给质量速率;待实验装置自然冷却后,对实验装置及目标墙体3进行仔细观察,评估燃烧室2、外墙1-1及目标墙体3的受火情况。
实施例二
参见图6、图7,与实施案例一不同在于,在外墙1-1上安装模块化墙体1-2并形成宽度×高度为1.8m×1.5m的开口;调整目标墙体3的位置,使目标墙体3和燃烧室2外墙1-1之间的水平距离为4m;在模块化墙板1-3外表面纤维增强硅酸钙板1-6上固定截面尺寸为20mm×38mm的顺水条1-9,顺水条表面固定干挂木挂板1-8,纤维增强硅酸钙板1-6与木挂板之间形成20mm厚的空腔,从而研究着火建筑外墙1-1为可燃装饰面板的情况下,窗口高温热辐射与外墙材料燃烧叠加对目标墙体表面的温度和辐射热流密度的影响,其余与实施例一完全相同。

Claims (3)

1.一种研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置,包括主体框架(1)、燃烧室(2)、目标墙体(3)、测量系统(4)、火源(5),其特征在于:所述的主体框架(1)为高度不小于两层实际建筑高度的钢结构框架,主体框架(1)正面安装有外墙(1-1),外墙(1-1)固定模块化墙板(1-2);所述的燃烧室(2)位于主体钢结构框架(1)首层的外墙(1-1)后侧,其余三面燃烧室墙体(2-1)采用模块化墙板(1-2)固定于主体框架(1)的钢结构框架上,顶部采用轻钢龙骨填充岩棉并固定防火板复合组成的楼板(2-2)固定于主体框架(1)楼层间的钢结构框架上,外墙(1-1)与两侧的燃烧室墙体(2-1)成密封态,后墙居中位置开有0.9m宽,2.0m高的门(2-3),燃烧室(2)正面外墙(1-1)的居中位置设置开口(1-3),其尺寸模拟真实着火房间开口尺寸,燃烧室(2)四周墙体内侧及楼板(2-2)底部的防火板表面固定一层硅酸铝棉毡(1-7)进行防火保护,燃烧室(2)中心放置火源(5);所述的目标墙体(3)其尺寸与燃烧室外墙(1-1)尺寸相同,目标墙体(3)采用轻钢龙骨框架,表面钉胶合木板,目标墙体(3)固定在下端面安装有滚轮(3-3)的底座(3-1)上,并通过斜支撑(3-2)加固以保持稳定,目标墙体(3)位于燃烧室(2)正对面;所述的测量系统(4)包括热电偶束(4-1)、热电偶(4-2)、辐射热流计(4-3),热电偶束(4-1)由4个热电偶(4-2)连接成串,热电偶(4-2)之间的垂直间距为500mm,燃烧室(2)内置有两束热电偶束(4-1),其中一束位于燃烧室(2)中线且在模拟火源(5)与外墙(1-1)内壁的中间,另一束位于燃烧室(2)中线且在模拟火源(5)与侧墙(2-1)内壁的中间,热电偶束(4-1)顶部的热电偶(4-2)距燃烧室(2)天花板(2-2)的高度为200mm,在燃烧室(2)开口(1-3)的中心点和开口(1-3)上沿中线各布置一个热电偶(4-2),在外墙(1-1)外壁中线上布置若干热电偶(4-2),最下面一个热电偶(4-2)距离开口(1-3)上沿的垂直距离为1000mm,其他热电偶(4-2)之间的垂直间距为1000mm,在目标墙体(3)正对燃烧室(2)一侧的表面上布置若干热电偶(4-2)和热流辐射计(4-3),均位于目标墙体(3)的中线上,最下第一层热电偶(4-2)和热流辐射计(4-3)位于开口(1-2)的中心点高度,第二层热电偶(4-2)和热流辐射计(4-3)位于开口(1-2)上沿高度,其上按照1000mm的垂直间距依次布置多层热电偶(4-2)和热流辐射计(4-3),测量系统(4)与数据采集系统进行连接;所述的火源(5)包括多孔燃烧器(5-1)、燃气管道(5-2)、流量控制器(5-3)、减压阀门(5-4)和燃气瓶(5-5),多孔燃烧器(5-1)用燃气管道(5-2)经流量控制器(5-3)、减压阀门(5-4)和燃气瓶(5-5)连通。
2.如权利要求1所述的研究建筑防火间距的火灾模拟实验装置,其特征在于:所述的模块化墙板(1-2)采用C型轻钢龙骨(1-4)填充岩棉(1-5),表面采用螺钉固定纤维增强硅酸钙板(1-6)复合组成,模块化墙板(1-2)两侧分别为凹、凸结构,互相配合。
3.采用权利要求1所述的研究防火间距的火灾模拟实验装置的实验方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:实验装置的安装和调整
(一)、在外墙(1-1)上安装不同高度和宽度的模块化墙板(1-2),按照实验需求,调整开口(1-3)大小;
(二)、按照实验需求,调整燃烧室(2)的外墙(1-1)和目标墙体(3)之间的防火间距;
(三)、按照实验需求,可在外墙(1-1)表面安装可燃饰面挂板;
(四)、按测试要求,安装热电偶束(4-1)、热电偶(4-2)和热流辐射计(4-3);
步骤二:实验准备
(一)、环境参数记录:记录实验条件下的环境温度、空气视图、大气压力、风速、风向及大气稳定程度环境参数;
(二)、安全检查:检查燃气瓶(5-5)有无破损和结霜现象,检查燃气管道(5-2)有无明显的破损,检查减压阀门(5-4)是否能正常工作;
(三)、把测量系统(4)与数据采集系统进行连接;
(四)、点燃火源(5)前5min开始数据采集和摄像记录,如果测点热电偶(4-2)或热流辐射计(4-3)出现数据异常,对测量仪器和数据采集系统进行排查,保证数据采集的正确性;
步骤三:进行火灾模拟实验
(一)、点燃多孔燃烧器(5-1),根据实验火灾功率的需求控制燃气流量,记录实验过程中的图像和数据;
(二)、实验过程中观察并记录外墙(1-1)和目标墙体(3)在点火后发生的变化及其发生时间,包括墙体整体或局部出现变形、破裂、脱落等情况及其发生时间;
(三)、如果出现燃烧室(2)的墙体(2-1)或楼板天花板(2-2)脱落、失效出现威胁平台结构或人员安全的因素、目标墙体表面的胶合木板被引燃的现象,可即时关闭减压阀门(5-4)并终止实验;否则,应持续至少30min的火灾时间;
步骤四:评估实验结果
(一)实验结束后,关闭测量系统(4),放空燃气管道(5-2)中的燃气;
(二)待实验装置自然冷却后,对实验装置及目标墙体(3)进行仔细观察,评估燃烧室(2)、外墙(1-1)及目标墙体(3)的受火情况,并做好文字和图像记录,包括燃烧室内天花板(2-2)和燃烧室墙体(2-1)表面硅酸铝棉毡的完整情况、模块化墙板(1-2)的破裂及脱落等情况、目标墙体(3)表面胶合木板的炭化和燃烧情况。
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