关于火灾条件下建筑结构倒塌原因规律及应对的探讨

关于火灾条件下建筑结构倒塌原因规律及应对的探讨随着经济的发展，高层建筑逐步增多，火灾荷载和不安全因素也随之增加。如果因火灾而造成高层建筑倒塌，必将给救人和灭火带来更大的困难，给担负抢险救援任务的消防队员提出更高的要求和挑战。据调查，美国“9.11”纽约世贸中心倒塌的原因在于大火熔化了支撑钢筋，而不是飞机的直接撞击。因此，在扑救建筑火灾时，要充分考虑建筑的倒塌问题。在美国“9.11”纽约世贸中心爆炸现场灭火的300多名消防人员主要就是因建筑倒塌而丧生。在我国，近年来由于在灭火中因建筑结构破坏、倒塌而造成消防人员伤亡的事故也曾发生。因此，加强建筑结构破坏、倒塌特点和规律的研究探讨，制定切实可行的灭火救援预案，无疑对减少人员伤亡和财产损失具有非常重大的意义。一、火灾条件下建筑结构倒塌的原因。建筑物中建筑构件名目较多，近年来随着一些新材料、新工艺、新技术在建筑领域中的广泛应用，建筑构件的性能也变得越来越复杂，燃烧破坏的特点也趋于多样性。不同建筑构件均具有自身的燃烧性能和耐火极限。火灾条件下，随着建筑材料和构件的燃烧和破坏，整个建筑结构也必然受到一定的影响，直至遭到局部的破坏或整个的倒塌。结构的倒塌与破坏，是由燃烧和高温条件造成的，倒塌和破坏的原因主要有以下几个方面：（1）预应力钢筋混凝土结构遇热，失去预加应力，从而降低结构的承载能力。（2）砖石砌体受热变形开裂。花岗岩因内部石英、长石、云母不同的热变形而碎裂。硅酸盐砌块也因内部的热分散而松散。（3）钢结构受热变形破坏。钢结构受热后，很快出现塑性变形，在火烧15-20min左右，杠件变成“面条”一样，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是无法修复重新使用的。（4）木结构表面被烧蚀，削弱了荷重的断面。木材起火燃烧，表面炭化，如果剩余截面的面积仍能承受原有全部荷重，结构是不会倒塌的。特别是消防队及时到达火场，在扑救火灾时，构件外表面的炭层吸收大量的水，对结构来说，还是一个很好的保护层。所以大断面比较有利。在加热炉中实验时，可以看到，预应力钢筋混凝土构件，在受热数小时后，便出现较大的变形。显然，这是因为主拉钢筋伸长的结果。所以预应力钢筋混凝土结构在耐火方面的性能，是不如普通钢筋混凝土结构的，必须加厚钢筋保护层的厚度。（5）高温下建筑材料的力学性能改变，强度随着温度升高而降低，以及火灾条件下结构产生的热应力，在目前的结构计算中还没有考虑到。（6）建筑物内部爆炸的冲击和震动，常是摧毁建筑物的一种主要原因。建筑结构的抗爆计算，因冲击波的力量较大，而需与防爆泄压设施同时考虑。（7）上部结构倒塌落在楼板上，或灭火积水不能排除，或楼板上的物资大量吸收灭火水流，大大地增加了楼板的荷重，使楼板因大量超载而塌落。（8）灭火射水落在高温的砖石、混凝土或钢筋混凝土结构表面，由于突然的冷却造成结构表面因收缩开裂，表皮剥落。特别关键的是破坏了钢筋混凝土结构的保护层，在火未熄灭前，使火直接烧到主拉钢筋，钢筋立即失去强度，而使整个结构破坏。二、火灾条件下建筑结构破坏的一般规律。火灾条件下建筑结构的倒塌破坏，往往使室内通风更加良好，加速室内的燃烧，并且会破坏防火分隔物，使火势得以扩大蔓延，为正确实施灭火救人及自救带来极大的困难。因此，掌握建筑倒塌的一般规律，对消防人员来说，是非常必要的。一般说，结构倒塌有以下规律：（1）木结构屋顶，整个倒塌的少，局部破坏的多。钢结构屋顶，局部被火烧毁，其余部分往往被烧的部分塌落，也同时由墙头拉到地面上来。（2）吊顶、屋架、木楼板、空心墙、泥土墙，易燃建筑等，都是易于倒塌破坏的。（3）土坯墙是耐火不燃的，但由于消防射流的强力冲击，也会遭到破坏。（4）倒塌的次序，一般是先吊顶，后屋顶，最后是墙壁。（5）一般房屋的墙是向里倒的。三、火灾条件下几种常见结构破坏的具体情况及一般应对方法1、钢结构屋顶钢的耐火性差。温度在450-500℃时，承载能力便大大减弱。温度再高，钢材变软，变形显著，屋架翘曲，屋顶随着就会塌落，经过的时间很短，一般在10-20min左右。由于钢结构屋顶空间工作的条件，在屋架之间联结了很多的支撑杆件，因而也就决定了，钢结构屋顶的破坏是整体的，或者是较大部分的，很少是局部的。在钢结构屋顶建筑物内起火时，要防止火直接烧到屋架，但也不要对温度很高的钢结构进行骤然的冷却，因为这些都是加速屋顶塌落的重要原因。使用喷雾水流，或使用直流水枪，对着屋面板射水，借以冷却屋架上弦，在火灾初期是有效的。可以把结构保存下来，不会遭到严重破坏。但灭火人员在扑救时，一定要隐蔽在不会因屋顶倒塌而伤人的安全地点。2、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，要注意其变形（下挠）的情况。3、薄壳结构屋顶薄壳适用于大面积的屋顶。其特点，主要是由于它所用的材料少。薄壳的跨度大，厚度小（钢筋混凝土壳最少25mm，砖壳最少60mm)，薄壳周边的支撑是靠两侧的楼板、基础或刚拉杆。薄壳结构的倒塌是整片的，其原因主要是由于支撑的条件破坏。故起火时，应及时冷却刚拉杆。只要支撑的条件不破坏，就完全有可能避免倒塌，因为壳体本身的耐火性能很高。当薄壳结构的屋面起火，或者灭火时需要登上薄壳屋顶时，特别要注意，到屋顶上去的人数不能过多，人员要分散，不要集中，最好站在壳的中心，或两侧对称于中心的位置上。4、木结构木构件遇火后，很快就被点着，在表面形成炭层。木材被烧焦的速度是和它的密度及含水率的大小直接练习的，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。根据测试，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，密质的湿木材燃烧速度的近似值是0.4mm/min。在实践中我们可以利用这些数字来估计木构件被燃烧的程度。5、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）受到意外的水平冲击作用。（4）空斗墙、空心砖的砌块变形破坏，失去承载能力。