火灾中建筑物倒塌的对策研究

火灾中建筑物倒塌的对策研究摘要:随着社会经济的快速发展,建筑物数量的急剧增多,用途不断地扩展,建筑倒塌事故也日益频繁,给承担火灾扑救和抢险救援工作的公安消防部队带来了极大的挑战,因此加强对此类灾害事故的研究,有效预测和预防火灾中建筑倒塌事故的发生和发展,最大限度的减少火灾损失和人员伤亡,已是当前消防部队面临的一个新的、重要的课题。关键词:火灾建筑倒塌预防对策建筑倒塌作为火灾的次生灾害之一,破坏性性强,灾害损失极大,对现场抢救人员的人生安全构成严重威胁,美国“9.11”事件和衡阳“11.3”大火给人们留下了深刻的记忆,消防队员更是付出了惨痛的代价。统计资料也显示:近几年来,全国每年有400多起建筑倒塌事故发生,所以加强对火灾中建筑物跨塌的研究与探讨,积极研究一些行之有效的预测与预防措施,是当前消防部队灭火救援工作面临新的、重要而又迫在眉睫的问题。1火灾中建筑构件的耐火性能分析1.1建筑构件的耐火极限和建筑物的耐火等级1.1.1耐火极限的定义专门机构在特定条件下对建筑构件按时间-温度标准曲线进行耐火实验,从受到火的作用时起,到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间。1.1.2耐火等级的概念建筑物的耐火等级是由组成建筑物的梁、板、柱等主要建筑构件的燃烧性能和耐火极限决定的,并以楼板的耐火极限将建筑物的耐火等级划分为四级,如:二级耐火等级楼板的耐火极限是1小时。建筑构件的耐火极限与建筑物的耐火等级,它不仅是一个建筑设计概念,也不仅是一个建筑消防审核概念,更应该是一个重要的灭火战术概念。这也是我们目前在火灾中判定建筑物发生火灾倒塌的唯一能够参考的定量标准。如图1所示。1.2几种主要建筑构件的耐火性能分析1.2.1钢筋在高温条件下的性能分析高温下钢筋软化及内部金相结构发生变化,钢筋的强度随着受火场温度的升高而降低、弹性模量降低、塑性增强产生蠕变、导热系数减小。经火灾实验结果表明:钢筋在500℃如图2所示。1.2.２火灾中混凝土主要力学性能分析混凝土是一种复合材料,是由骨料和填料所组成。这些材料在高温受热之后物理力学性能发生变化,导致构件混凝土产生裂纹,使填质料与填料之间的粘结强度降低,从而抗压强度下降、弹性模量降低、导热系数减小、比热增大。从混凝土内部结构看,高温条件下,水泥石组料热膨胀,CH晶型缺损、破碎,产生微裂缝,结构变得非常松散,导致混凝土强度降低。此外,消防水骤射到高温混凝土表面,从中游离的氧化钙遇水发生熟化而迅速膨胀,使受热表层发生爆裂现象,造成结构产生严重破坏。如图3所示。1.2.3火灾中钢筋混凝土主要构件力学指性能分析钢筋混凝土构件集中了钢筋的抗拉和弹性、混凝土的抗压和刚性等优良特性,而且二者具有很好的粘结力,火灾中钢筋与混凝土粘结力的急剧降低是钢筋混凝土构件破坏的重要原因。建筑物的耐火能力主要取决于建筑构件中的梁、板、柱的耐火极限。建筑的荷载设计是:建筑荷载通过梁、楼板等平面承重构件传递给承重墙柱等垂直承重构件再传递给基础,形成简支结构,火灾中任何一部分失去承载力都可能造成建筑物的整体或局部倒塌。其结构形式如图所示。1.2.3.1梁板:梁板是受弯承重构件,扰曲率发生突变是失去承载力的象征火灾中,高温引起钢筋和混凝土的热膨胀和高温徐变,混凝土和钢筋强度下降,再加之二者的受热性能的差异,导致构件产生竖向和横向裂纹,也会致使构件表面龟裂,最终导致构件受压区混凝土局部压碎、受压区混凝土大裂缝和钢筋拉断等破坏特征。火灾实验表明:简支钢筋混凝土梁、楼板和预应力钢筋混凝土楼板跨中总挠度值分别达到构件计算长度的五十分之一、三十分之一和十分之一,表明构件失去支持能力。1.2.3.2柱:柱是受压承重构件实验表明:柱在临界破坏荷载作用下,柱中四周出现明显纵向裂缝,纵向钢筋发生屈服,向外凸出,混凝土被压碎而整个柱破坏。而火灾中,由于混凝土保护层在高温热力作用下发生爆裂现象,致使钢筋直接暴露在火灾中,使柱的抗压性能急剧降低,这是柱结构在火灾条件下失去承载能力的最直接原因。1.2.3.3“强梁弱柱”现象钢筋混凝土结构中,由于梁是简支受弯构件,薄弱部位在跨中,两端形成在板和柱的保护作用下形成加强区;而柱为受压构件,在火灾条件下两端受拉,因此在梁、柱交接的节点处形成薄弱区,从而在火灾中存在“强梁弱柱”现象,即节点处的柱先于梁破坏。2火灾中建筑倒塌的特点2.1具有突发性,人员疏散困难建筑物在较长时间的烈火烘烤下,发生倒塌前会出现一些征兆,但在火灾条件下,前期征兆一般难以察觉。再加之一些难以预料的因素,建筑可能随时遭到破坏而发生倒塌,且具有突然性,往往在短时间内易造成大量人员被困,逃生难度极大。2.2具有极强的破坏性,易诱发次生灾害建筑倒塌是整体性的,极易造成建筑内部水、电、气管道、机器设备、办公用品等设施损坏,同时由于倒塌时巨大的震动,可能影响周边不稳定建筑的倒塌,诱发次生灾害。特别是周围有易燃易爆场所时,极易引发有毒有害物质泄漏、燃烧、爆炸等严重事故,后果难以预料。2.3人员伤亡重,社会影响大建筑一旦发生倒塌,其楼梯等逃生设施一般损坏非常严重,内部生存空间小,人员无路可逃,伤亡必然十分惨重,造成的社会负面影响极大。“9.11”事件造成3000多人死亡,使全世界震惊。2.4救援人员撤离困难如果灭火救援战术措施运用不当,在发生倒塌征兆和警报时,在建筑物内的灭火救援人员根本无法在较短的时间内撤离,同时由于撤离的空间和渠道有限,更增加了及时撤离的难度。2003年11月3日,湖南衡阳衡州大厦大火中,指挥员在第二次战斗展开前已设立了安全观察员,约定了撤离信号,但还是致使20名消防队员牺牲。3火灾中建筑物倒塌的预测建筑物在火灾作用下发生倒塌,是一个必然的过程,是一个完整建筑遭破坏的过程,更难以实施前期控制,就目前技术来说,还很难对建筑物的火灾倒塌做出准确的预测。但并不是不可预测的。任何事物由一种形态发展到另一种形态,必然经历一个量变到质变过程,火灾中建筑物倒塌也应该是有规律可循的。因此,认真研究火灾中建筑物倒塌的成因,掌握倒塌的一般规律,在灭火和抢险救援中有针对性地采取一些预防和应对措施,对于减人员伤亡、降低火灾损失具有重要意义。笔者就如何应用中医“望”、“闻”、“问”、“切”基本理论预测火灾中建筑倒塌事故谈一点不成熟的看法,与大家共同探讨。3.1望,即看有没有异常变化、变形由于火场情况千变万化,引起建筑物倒塌的因素很多,原因错综复杂,要对建筑火灾倒塌作出预测,必须“眼观六路”。倒塌这一现象和其他事物一样,在发生之前,总有一些迹象可找,有一定征兆可察,如:钢结构弯曲、门窗变形卡死;墙体砌筑砂浆会因火灾高温而失去粘结力粉化脱落使砌体产生纵向裂缝;梁跨中混凝土保护层出现裂缝、钢筋外露、挠度增大;柱两端混凝土保护层爆裂、钢筋屈服向外凸出、扭曲变形;楼板呈“锅底”形状下沉等等。只要我们多加观察,认真分析,不难从中找到一些规律性,掌握火灾中建筑倒塌预测的第一手资料。3.2闻,即听有没有异常声音火灾条件下,由于大量烟雾的存在,仅仅靠“眼观六路”是远远不够的,还必须做到“耳听八方”。一是要特别留意灭火过程中“劈劈啪啪”的声响,火灾初期混凝土保护层在高温作用下会产生“爆裂”现象,使钢筋外露,直接过火燃烧,此外,梁、板跨中危险部位混凝土在冷热水流冲击下可能被拉裂导致结构破坏;二是要特别注意火灾现场的异常响声,室内煤气爆炸震动、建筑物内自来水管道爆裂、附属建筑物及建筑构件的倒塌等等,这些都极有可能对建筑主体结构造成影响。尽管火场情况复杂、瞬息万变,但在倒塌这一现象出现前总有一定的征兆,哪怕是这种征兆发生在倒塌前几秒钟,只要细心观察,还是可以发现的,它是火灾中建筑倒塌预测的最直接、有效手段。3.3问,即现场询情,全面掌握起火建筑物的基本情况孙子兵法有云:知己知彼,百战不殆。火场如战场,要准确预测火灾中建筑倒塌就必须对火场情况了然于胸,即通过询问、讯问、侦察等手段向现场当事人、业主和有关工程技术人员详细了解火灾中建筑屋的有关情况:一是建筑物的结构类型和耐火等级,通过了解火灾中建筑物主要承重构件是不是直接受到火烧,直接火烧的持续时间是否接近与到达了构件的耐火极限最低标准时间,来判断建筑物倒塌的时间极限和危险程度;二是火灾荷载,火灾荷载大,火场温度高,对建筑结构的破坏就大,倒塌机率高。经验认为:一般物质体积超过建筑容积的三分之一,建筑耐火等级在二级以下,发生火灾后燃烧时间较长时,火场指挥员就应当考虑房屋倒塌的可能性和带给现场灭火人员的危险性。特别是商场、市场和物资仓库发生火灾后,火灾条件下发生倒塌的可能性较大,且极易造成重大人员伤亡和财产损失;三是起火燃烧时间和使用功能、性质。到场后,必须了解起火时间,从而判断该建筑物在火中已经燃烧的时间,并从现场扑救力量和火势大小估计控制火势的时间,同时要特别注意火灾中的商住楼,在燃烧时间长、灭火水渍重的情况下,只要局部受损,就有可能造成大面积的坍塌。3.4切:即“测”,用高科技测量仪器测定火灾中建筑主要承重构件的技术参数,科学推断建筑物倒塌时间极限即利用红外线测温仪测定建筑物内火场中心温度;利用机械力学、光学、电学或红外线测量仪器测量梁、板跨中的挠度和裂缝宽度以及承重柱薄弱截面的压应变,充分掌握第一手资料。然后根据建筑构件的耐火极限和结构特性参数(如:钢结构失去平衡稳定性的临界温度是500摄氏度,800-1000摄氏度火灾条件下,无保护钢材耐火极限为15分钟;火场温度超过1000摄氏度时,受弯构件(梁、板)可能因挠度值超过五十分之一而导致建筑物倒塌),科学推定建筑物倒塌时间极限,为推定战术转移时间提供科学依据。4火灾中建筑物倒塌的预防火灾中建筑倒塌的根本原因为承重构件在火灾作用下超过其耐火极限失去承载力而破坏。所以,要有效预防火灾中建筑物倒塌,可以采取积极和消极两种预防策略,积极预防即加强建筑结构本身耐火极限,提高建筑物耐火等级;消极预防即最大限度减小火灾高温对建筑结构的破坏。4.1积极预防,从源头上预防建筑物倒塌事故的发生据有关资料表明,世贸大楼就是因内部钢梁上的防火物质在闷烧的情况下被破坏,导致失去支撑能力而倒塌;湖南衡州大厦原因是因为施工中使用不合格建筑材料。因此,提前采取积极有效手段,严把建筑消防设计审核关,提高建筑构件的耐火极限和建筑物耐火等级,从源头上杜绝建筑倒塌“先天”隐患,这是预防火灾中建筑倒塌事故最可取的方法。4.1.1严格审核,把好源头关建筑物的耐火等级取决于构件的耐火极限,要提高建筑物的耐火性能,就必须采取科学的方法提高其结构构件的耐火极限。如:采用喷涂、包敷、水淋等技术手段对钢结构进行科学防火保护,提高其耐火极限,从而达到建筑物的耐火等级和人员疏散要求;对钢筋混泥土结构,应采用高标号水泥和一级钢筋,同时加大混泥土保护层厚度,梁、柱不小于40毫米,板不小于30毫米,在结构设计时应考虑消防扑救水渍荷载,尽量不使用装配式结构和预应力构件,提高其耐火性能和承载能力。4.1.2加强施工过程中的消防监理由于建筑结构施工多为隐蔽工程,消防部门在施工过程中进行1—2次检查的很难形成监管力度,最行之有效的方法就是将建筑消防部分纳入施工监理范围,实行全日制、全过程的消防监理,确保按图施工。这样才能避免“11·3”火灾“豆腐渣”工程的出现。目前这一做法已在上海、南京等地推行。4.1.3审验分离,严把验收关验收过程中,消防部门一定要严防以下几种“先天”隐患的发生:一是擅自改变建筑物的使用功能和性质;二是私自拆除建筑物部分承重结构;三是使用大面积可燃装修材料。这几种违法行为无形增加建筑物的安全隐患,增加了火灾中建筑物的倒塌的可能性和突然性,使其更难以预测和预防。4.2正确运用灭火战术,科学处理进攻与防御,有效减小消防射水对建筑结构的影响在灭火救援过程中,消防水渍会增加结构设计荷载,同时建筑承重构件在受到加热冷却交替冲击下,极易造成失去稳定性而破坏;此外建筑构件中水泥等水硬性凝胶材料在火灾作用下,水泥石发生不可逆的粉化过程,水的加入会增强水泥构件粉化砂粒的自重与粉化沙粒的流动性,使构件的破坏进程加快,导致建筑构件加速承载等设计能力的丧失,引发倒塌的发生。因此,合理运用战术、科学进攻、有效减少消防射水对结构的影响是预防火灾中建筑物倒塌的最实用有效方法。4.2.1科学制定灭火战术,合理进攻与防御在建筑火灾的灭火救援中,在建筑物可能倒塌之前的第一阶段,应采取集中兵力灭火救人的内攻为主的主动进攻的整体战术。而一旦进入有倒塌危险的第二阶段,就应该采取“外部多点灭火,内部重点突破”的战术,按照“少而精、准而快”的指导思想,选择素质好、业务精、经验丰富的人员,重点扑救承重结构火点,对高温焙烤可能变形的承重结构进行冷却;优先扑救承重结构附近的大火,其次是外墙附近的大火,然后是横向平面线性结构下面的大火。确保承重构件火烧时间短,受热量少,以最大限度减小建筑物出现结构性倒塌的危险。4.2.2正确选择水枪阵地,严格控制水枪射流方向和着点部位在选择水枪阵地时,要严格遵循“便于观察、便于射水、便于转移”的原则,同时要“有利于进攻、有利于撤退、有利于安全”。要以坚固的结构为依托或屏