建筑外立面非对称U型结构火灾特性研究

中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文编号：184112 建筑外立面非对称U型结构火灾特性研究

闫维纲1，王坤1，周洋2，安伟光3.

1 School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,

Shanghai, 200093, PR China.

2. Department of Fire Protection Engineering, School of civilengineering, Central South

University, Changsha 410075, PR China

3. Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, School of Safety Engineering, China

University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu, 221008, PR China

Email: ywg@

摘要本文对建筑外立面非对称U型结构的火灾特性进行了实验研究。选取三种不对称程度的U型结构，得到了对应的火蔓延速度、火焰高度和质量损失速率随结构因子和不对称程度的变化趋势。研究发现，不对称程度相同的情况下，火蔓延速度、火焰高度及质量损失速率均随结构因子整体的增大而增大，且随着结构因子的增大，三者逐渐趋于稳定。对于平均结构因子相同的情况，随着不对称程度的增大，三者均呈现减小趋势。理论分析与实验结果相符。

关键词火蔓延；非对称U型结构；外立面火灾

0 前言

建筑加装外保温系统是诸多建筑节能技术中应用最为广泛的技术之一，考虑到其高保温性、轻便和廉价，建筑外保温材料的主体多使用泡沫类有机外保温材料。尽管在许多实际工程中使用了高阻燃等级的有机保温材料，但近年来国内外建筑外墙保温系统火灾案例仍多有发生。

而随着建筑物功能需求的变化，其外立面结构越发复杂。许多建筑外立面存在不同尺寸的U形槽，L形拐角等。图1所示为典型的外立面U型结构火灾案例（乌鲁木齐，神华城火灾，2010）。实际案例显示，火灾的发生和发展会受到外立面结构形状的影响，其火灾特性会和普通的平面保温系统的有很大的不同。因此，研究外立面结构的影响很有必要。

基金项目：火灾科学国家重点实验室开放课题(No. HZ2017-KF07)，上海高校青年教师培养资助计划（ZZslg16007）。

图1 典型的建筑外立面U型结构火灾案例（乌鲁木齐，神华城火灾，2010）对于保温系统中使用的典型保温材料国内外研究人员进行了相当广泛的研究，而关于外立面结构对火灾特性的影响，前人也取得了一些很有价值的研究成果。Tsai等[1-5] 以及Shih和Wu[6]都研究了可燃物的不同几何结构对火蔓延过程的影响。在Tsai的实验中，研究了平面、拐角和平行三种结构的火蔓延。结果发现，火焰高度是影响火蔓延的主要因素。Tsai的实验中L-型结构是火蔓延最快的几何结构。Shih和Wu的实验中，火蔓延速度最大的是封闭结构、之后是U-型、四平行平面型、二平行平面型、L-型以及单平面型结构。梁参军等[7]研究了不同海拔下拐角型结构PMMA的火蔓延特性，研究显示火蔓延速度随拐角结构夹角的减小而增大。唐飞等[8]研究了倾斜外墙限制卷吸条件下溢流火的火焰高度和辐射强度特性，研究发现火焰高度及辐射强度随倾斜外墙水平夹角的增加而增大。Shih[9]利用耦合辐射的二维火蔓延模型对低速逆流条件下一组薄固体材料火蔓延的相互作用进行了数值模拟研究，并研究了隧道效应和辐射的相互作用。Avinash等[10]实验研究了自然对流条件下平行的薄固体材料的扩散火焰蔓延特性，结果发现当距离较近时火蔓延速度小于单表面的情况，而当距离适中时火蔓延速度高于单表面，当距离足够大时，火蔓延速度与单表面相同。胡隆华等[11]与陆凯华等[12, 13]共同研究了侧墙对开口舱室火溢流特性的影响，结果表明侧墙的影响存在两种模式，对于较小的火焰侧墙间距对无量纲火焰高度及无量纲辐射强度几乎没有影响，而对于较大的火焰，两者随侧墙间距减小而增大。安伟光等[14-16]建立了试样宽度、气压及U形槽影响的XPS 竖向火蔓延模型。闫维纲等[17-19]通过理论分析发现火蔓延速度正比U形槽诱导的向上卷吸气流速度，而U形槽深度的增大促使向上卷吸气流速度增大，并建立了U

形槽结构对PU材料火蔓延速度影响的模型。同时通过中大尺度实验进行了验证。李建

涛等[20, 21]则通过实验和数值模拟研究，得出了与闫维纲等接近的结论。

上述研究多数关注于不同的几何结构的对比上，对几何结构自身特征影响的研究与分析相对较少，同时对几何结构影响机制的深入研究与探索也较为缺乏。本文将针对建筑外立面的非对称U 型结构，研究不同特征参数下的非对称U 型结构对火灾蔓延特性的影响，并分析其作用机制。

1 实验材料与方法

1.1 U 型结构的结构因子

为了更好地表征不同的非对称U 型结构的结构特点，本文引入（平均）结构因子α与不对称程度α∆两个特征参数。其含义如图2所示。

图2 （平均）结构因子α与不对称程度α∆示意图以及实验台简图

图2中，B 为背墙宽度，1A 、2A 为不对称的两个侧墙宽度，则（平均）结构因子的代表了非对称U 型结构整体的进深程度，其值越大，代表整体的进深程度越深。而不对称程度则代表了两侧侧墙宽度的差异，其值越大，代表两侧侧墙宽度的差距越大。

1.2 实验装置

实验装置如图2所示。实验台使用铝型材搭建框架，放置在电子天平上，用于采集质量数据，正前方使用DV 采集实验视频。其中，U 型结构的背板材质为可燃的PMMA 板材，宽度10B cm =，厚度为5mm ，高度为30cm 。PMMA 板材嵌入在厚2cm 的陶瓷纤维耐火板上。而侧墙材质为陶瓷纤维板，厚度2cm 。侧墙宽度随实验工况不同进行调节。实验中使用丙烷喷枪点火，点火时通过人工控制使得PMMA 板材上边缘受热均匀，点火后火焰前锋保持直线蔓延。

1.3 实验工况

本文实验选取三种不同的不对称程度：0α∆=（普通对称情况），0.1α∆=以及0.2α

∆=。其中，0α∆=时，选取的结构因子分别为0,0.4,0.8,1.2,1.6α=，而当0.1α∆=和0.2α∆=时，选取的结构因子分别为0.4,0.6,0.8,1.0,1.2α=。每种工况均重复实验两次。之所以普通对称情况下结构因子选取0-1.6的情况，而非对称情况下结构因子选取0.4-1.2的情况，一是因为对称情况下更宽泛的结构因子更有利于研究结构