建筑特殊外立面结构影响下的外墙火蔓延行为研究

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随着我国城市化进程的飞速发展,高层建筑的数量大幅度增加,每年有超过二十亿平方米的新增建筑面积。各种有机保温材料如膨胀聚苯乙烯(EPS)、挤塑聚苯乙烯(XPS)、硬泡聚氨酯(PU)和有机装饰材料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)被广泛的运用在高层建筑中,而未经阻燃处理的该类材料在发生火灾时会被迅速点燃蔓延,造成大面积火灾。为了满足现代建筑中美观、采光以及节能的需要,高层建筑中存在着各种特殊外立面结构如外墙竖向通道、外墙夹角等,而这些夹角往往会呈现不同的角度。当在特殊外立面结构发生火灾时,在以外墙夹角为例的特殊外立面结构的作用下可能会加快火蔓延速度、扩大火灾面积,极大的增加火灾危险性,针对特殊外立面结构对于火灾的影响亟待深入研究。本文通过实验研究与理论分析相结合的方式研究了外墙夹角以及燃料布置方式对于建筑外墙火蔓延行为的影响。选取了极为典型的有机装饰材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为实验材料,开展了外墙夹角影响下可燃材料火蔓延的小尺寸实验。通过改变重要特征参数(如外墙夹角角度、燃料布置方式以及空气间隔距离),获得了火蔓延过程中的热解特性、火焰特性、质量损失速率和以及火蔓延特性,明晰了不同夹角角度与空气间隔距离相互影响下的火蔓延特性变化规律,并且基于前人提出的火蔓延速度模型,建立了外墙夹角作用下的火蔓延速度预测模型,并通过相关实验结果验证了模型的可靠性。本文的主要研究内容与成果为:(1)通过开展实验,研究了不同外墙夹角对于PMMA的顺流连续火蔓延的影响。获得了不同外墙夹角作用下的热解区域形态、火焰形态、质量损失速率和火蔓延速度等火蔓延特性参数。通过改变外墙夹角角度,发现热解气体集聚在角落处而形成富燃料气体层,从而导致热解前锋结构由“M”型向抛物线型转变;通过视频处理得到了不同外墙夹角下火焰高度随时间变化关系,发现了火焰高度与外墙夹角之间的变化规律并建立了理论模型;随着夹角的增加,稳定阶段平均质量损失速率先增大后减小;基于前人的传热模型明晰了侧向火蔓延与竖直火蔓延的传热机理,揭示了竖直火蔓延过程中对流传热的主控传热机制,并发现辐射传热量随夹角角度的增加先减小后不变;通过分析不同外墙夹角时的辐射视角因子与对流传热的关系,建立了竖直方向的火蔓延速度预测模型,通过与实验结果的比较验证了模型的可靠性。(2)通过开展实验,研究了不同外墙夹角与燃料布置方式对于PMMA的顺流连续火蔓延的影响。发现总质量损失速率随侧墙布置燃料的增加以及夹角角度的增大而增加,并且建立了火焰高度与单位宽度上热释放速率之间的数学关系式;基于能量守恒与传热机理建立了不同燃料布置方式时的侧向火蔓延预测模型,发现随着燃料布置的增多和夹角角度的增大,侧向火蔓延速度增大,竖直火蔓延速度减小。(3)通过开展实验,研究了外墙夹角结构下空气间隔距离对于PMMA的非连续火蔓延的影响。建立了点燃时间与空气间隔距离之间的数学模型;发现在稳定燃烧阶段燃烧区域面积恒定,随着空气间隔距离的增加,总质量损失速率与单位面积的质量损失速率均下降,建立了单位面积的质量损失速率与空气间隔距离之间的关系;提出了火焰高度与热释放速率之间的拟合模型;随着空气间隔的增加,侧向火蔓延速度与竖直火蔓延速度均降低,建立了侧向火蔓延速度的预测模型,模型与实验结果相一致。本文的研究结果可为建筑特殊外立面火灾危险性的评估分析以及相关防火规范完善与消防设计提供理论参考与指导。本论文有图41幅,表4个,参考文献68篇。
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