充气膜结构是利用柔性膜材在某种有压差的气体(通常为空气)作用下这一特点,形成一种具有稳定形态及一定刚度的结构形式。充气膜结构一般分为气承式膜结构和气胀式膜结构。充气膜结构在民用和航天领域中都有比较广泛的应用。随着2008北京奥运会国家游泳中心中标方案———“水立方”的固护体系采用充气膜结构形式,充气膜在我国广泛地被应用到工程实践中。对于充气膜,虽然膜材多数是难燃或不燃材料,能够阻止火焰扩散,但高温下膜材及加劲索的力学性能发生变化,如膜材会被烧融烧穿、内压出现波动、索材预应力损失、弹性模量和承载力等降低,最终导致结构倒塌破坏。因而研究充气膜结构的抗火性能,首先应分析火灾下膜面温度场分布特性规律,进而根据膜面温度分布对结构进行区域简化,以便后续结构分析。因此,本文的研究内容不仅可以为充气膜结构火灾温度场研究提供依据,而且可为结构抗火设计提供借鉴。

充气膜结构通常为大空间结构体系。大空间高温烟气流动可以视为一个非定常的三维流体流动及传热传质过程。其数学模型是以物质守恒、能量守恒及动量平衡等基本定律建立的化学流体力学基本方程组,即连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。

连续性方程:

动量方程:

其中,i=1、2、3。

组分质量守恒方程:

能量方程通常表示成内能变化形式、焙变化形式和温度变化形式。在经典的燃烧理论中,通常使用表达成温度变化的能量方程:

方程(1)~(4)构成了研究充气膜大空间内部火灾烟流的数学模型。此外,在浮力效应下,着火区域范围内热烟气上升形成一定厚度的热烟气层,并随烟气不断产生而迅速膨胀,向两侧扩充,同时下部冷空气流向火源,此时火场两侧形成对称的循环风流。

笔者采用火灾流体动力学软件FDS进行模拟计算。1972年,美国Hopkinson教授对半筒状充气膜结构做了大量火灾实验,包括7个烟气实验和3个火灾破坏实验。将火灾实验与FDS模拟结果对比分析发现,FDS模拟结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟充气膜结构的温度场分布。

本次FDS模拟对象为一个采用充气膜结构的大空间建筑,呈半球型,其三维视图如图1所示。

该膜结构长约97m,宽约80m,中心高约32m,出入口尺寸为5 m×4 m。根据火源位置的不同共建立4个火灾场景。各个火灾场景的火源位置分别位于模型结构中心处、中心左四分之一跨处、靠近左边墙壁处和靠近门口处。其中,靠近门口处的火源位置为发生火灾时的最不利点,即人员疏散的最不利点。火源功率都是6 MW,燃烧模型均为t2火,模拟时间900s(考虑大部分实际火灾15min左右基本燃烧完全)。每个火灾场景在X、Y、Z方向上都设有温度切片,通过观察温度云图再结合空间24个热电偶提供的全程温度-时间变化,可以得到各个火灾场景的温度场分布特性。火灾模拟方案见表1。

由于充气膜结构属密闭性结构,为了防止内压泄漏影响结构的正常使用功能,在进行FDS模拟时事先在结构左上角安置了一个风机,使内压差稳定在260Pa。网格尺寸为0.5m×0.5m×0.25m。火源为1m×1m×0.5m的长方体。模型设置了一系列热电偶用于温度采集。热电偶空间布局如图2所示。

以火灾场景1为例进行分析。图3为不同时刻膜结构内部空间温度分布。可以看出,温度在竖向分层分布,温度梯度约为5℃,上层高下层低。热烟羽流沿着火源中心迅速向上运动,到达膜面后沿着膜面向四周扩散,同时由上至下蔓延,蔓延过程中热量不断损失,因而以火源正上方为中心,温度沿膜环向从上至下逐级降低。火焰羽流主要在火源附近上下波动,所以靠近火源处的温度场分布极不稳定,温度梯度较大;远离火源处受火焰影响较小,温度场分布较为稳定。

图4为900s时刻不同位置处的热电偶串沿高度温度分布变化情况。从图4可以看出,火源上方随着高度不断增加,温度不断降低,温度梯度较大,最高温度317℃(火源处),最低温度61℃(膜面处),最大温差256℃。8m以上温度梯度变化趋缓。但在接近膜结构顶面时,温度迅速降低。分析原因可以发现,该建筑高度达32m,热烟气上升到一定高度后由于重力与浮力平衡而稳定在30m左右,未到达膜结构顶面,所以顶面温度没有受到火灾影响。其他位置温度分布较为均匀一致。

图5~图7分别为其他三处位置(结构中心处、风机附近、门口附近)的温度变化。

比较图5~图7可以发现,远离火源的膜面温度分布较为稳定,越高的地方升温越快,变化幅度也相对膜下方较大,最终温度也较高。这是因为热烟气聚集在膜上空,风速较小,未及时排走。

结构中心处由于受火源影响较大,所以各个高度处的温度变化剧烈,梯度较大,最高膜面温度是膜顶端的61℃左右,对膜面内部应力分布将会造成影响,其较大的温度梯度也会造成应力重分布现象发生。

风机和门口附近温度曲线基本重合,说明其变化情况基本相似。由图可知,这两处在该时刻在竖直方向温度变化很平稳,梯度很小,呈稳定趋势,最高温度54℃,温差不大,为34℃。

通过结果分析可以得出:总体上不同测点膜面温度分布很不均匀,温度梯度悬殊,火源正上方烟羽流影响区域内温度较高,膜面最高达到61℃,远离火源处温度梯度逐渐减小。从火源温度曲线图可以看出,火源正上方火焰发展不稳定,上下波动大,因而其测点温度曲线较不光滑;而远离火源处曲线较为平缓、光滑。位于火源处温度沿纵向逐渐递减,而远离火源的位置温度纵向逐渐升高。因为火源处温度受火焰羽流影响较大,故纵向越高温度越低;远离火源处的位置受火焰羽流影响不明显,占主导因素的是热烟气带来的升温,而刚开始热烟气主要是以火源为中心向上蔓延,之后沿膜面蔓延,最后向下逼近。烟气蔓延需要时间,所以远离火源处的位置纵向高度越高温度越高,而且分布也很稳定。

对于疏散层环向来说,通过参考火源处温度切片云图以及热电偶时间-温度曲线图可知,距地面越近,温度越低;除火源正上方外,温度梯度相差不大,温度分布较均匀,而火源处沿环向温度梯度相差明显,温度分布不均匀。离火源越远,膜面升温越缓慢,受气流影响越小,因而下降段越不显著。离火源越近,纵向和环向升温都很快,且受火焰羽流影响较大,故波动大,不稳定。当火源靠近边缘时,受气流影响较大,火焰很不稳定,所得膜面温度曲线波动幅度大,整个膜面温度不再完全呈轴对称分布。

根据数值模拟结果可知,膜面温度分布与距离火源的位置和膜面高度有关。因此,在实际工程应用中,可采用如下公式近似计算膜面温度。

一般来说,轴对称火焰羽流中心线温度可由式(5)计算得到。

式中:Q为火源热释放率,kW;g为重力加速度,取9.8m/s2;ρp为环境空气密度,取1.205kg/m3;Cp为空气定压比热容,取1.005kJ/(kg·K);T0为环境空气温度,K;z0为火焰的虚源位置,m,z0=0.083Q2/3-1.02 D。

通过计算火羽流中心线温度,即可得到火焰正上方周围空气温度,而利用周围空气温度计算膜面温度则主要采用一维差分法。

根据传热学基本原理和NEPA 92B,膜面单位长度温升可由式(6)计算。

式中:qc为对流传热增量,kW;qr为设计火灾产生的辐射热流,kW;qe为构件发射的辐射热流,kW;Asc为膜暴露在热烟气中每单位长度的表面积,m2/m;Tst为膜材料温度,K;hc为对流传递系数,25×10-2kW/(m2·K);Tc为烟羽流中心线温度,K;Asf为面向火焰的材料的表面积,m2/m;∝sf为材料的吸收率;z为膜结构至火焰底部的高度,m;Asr为放射辐射热的材料表面积,m2/m;εr为材料和热烟气间的总辐射率, ;σ为Stefan-Boltzman常数;Tm为材料接触的平均烟气羽流温度,K;Vst为每单位长度材料的体积,m3/m;ρst为材料密度,kg/m3;Cpst为材料比热容,J/(kg·℃)。

基于火灾燃烧模型理论,针对有广泛应用前景的充气膜结构开展火灾温度场特性研究。利用FDS软件模拟分析不同火灾场景下的充气膜结构火灾温度场分布特性,得到如下结论:

(1)热烟羽流沿着火源中心迅速向上运动,到达膜面后沿着膜面迅速蔓延,烟气向四周扩散。竖向温度呈层状分布,温度由上至下逐层降低;随着时间增加,热烟气层不断向下蔓延,热烟气层厚度逐渐增加。

(2)当火源离膜面较远时,膜面温度沿纵向较均匀,温度梯度小,而沿环向温度梯度较大;当火源距离膜面较近时,膜面温度分布均较为均匀,梯度变化不大。当火源靠近边缘时,受气流影响较大,火焰很不稳定,所得膜面温度曲线波动幅度大,整个膜面温度不再完全呈轴对称分布。

(3)当结构高度较高时,热烟气在上升到一定高度后由于重力与上浮力平衡而稳定在此高度,并未到达膜结构顶面,所以顶面温度受火灾影响不明显,呈现出一个温度低区。

(4)根据膜面温度场分布规律可知,温度梯度对膜面内部应力分布将会造成影响,其较大的温度梯度也会造成应力重分布现象发生,在进行内力分析时需认真考虑。本文提出了简化的计算公式,以方便后续进行消防设计和结构抗火分析计算。

(5)在实际工程中还应合理设置侧排或顶排、增加风机进气量。如果是公共建筑火灾,还需考虑人员安全疏散。建议至少需设置两个及以上紧急疏散门。通过本次试验可以知道,充气膜大空间建筑火灾演化迅速,烟气填充速度相当快,会对人员疏散构成威胁。