自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)下鋼化玻璃作為防火分隔物可行性試驗(yàn)研究

倪照鵬,路世昌,賴(lài)建燕,黃益良,郭 偉,薛 崗

(1.公安部天津消防研究所,天津,300381;2.萬(wàn)達(dá)商業(yè)規(guī)劃研究院有限公司,北京,100022)

自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)下鋼化玻璃作為防火分隔物可行性試驗(yàn)研究

倪照鵬1,路世昌1,賴(lài)建燕2,黃益良1,郭 偉1,薛 崗1

(1.公安部天津消防研究所,天津,300381;2.萬(wàn)達(dá)商業(yè)規(guī)劃研究院有限公司,北京,100022)

針對(duì)目前大型綜合性商業(yè)建筑擬采用鋼化玻璃作為防火分隔物的使用需求,通過(guò)建立實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯吭谧詣?dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)下鋼化玻璃作為防火分隔物有效性,并進(jìn)而提出可行的自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)方案。研究結(jié)果表明:快速響應(yīng)型灑水噴頭在高溫?zé)煔庾饔孟驴杉皶r(shí)啟動(dòng)并對(duì)玻璃進(jìn)行冷卻保護(hù),使鋼化玻璃完整性未受到破壞,且玻璃背火面溫度和熱輻射強(qiáng)度均小于無(wú)水系統(tǒng)冷卻保護(hù)的情況。

自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng);鋼化玻璃;防火分隔物;耐火完整性;試驗(yàn)研究

0 引言

近十多年,我國(guó)不少城市建設(shè)了一批大型綜合性商業(yè)建筑。這類(lèi)建筑以萬(wàn)達(dá)商業(yè)廣場(chǎng)(第三代店)為典型代表,由室內(nèi)步行街將一組建筑連接在一起,形成一個(gè)集商業(yè)零售、餐飲、娛樂(lè)、休閑等于一體,建筑空間體量巨大,功能復(fù)雜。由于室內(nèi)步行街貫通多層,連接建筑兩側(cè)的商鋪,為常規(guī)中庭的變形。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)消防技術(shù)規(guī)范的規(guī)定,在室內(nèi)步行街及其上部空間與兩側(cè)的商業(yè)空間之間應(yīng)進(jìn)行防火分隔或劃分防火分區(qū)[1]。如采用耐火墻體進(jìn)行分隔,則很難滿(mǎn)足建筑的功能要求;如采用防火卷簾進(jìn)行分隔,則需要采用大量大跨度的防火卷簾,但實(shí)際情況表明,防火卷簾的可靠性較低,火災(zāi)中難以有效發(fā)揮作用[2,3]。實(shí)際工程中,此類(lèi)建筑有采用鋼化玻璃進(jìn)行防火分隔的,見(jiàn)圖1所示。

圖1 鋼化玻璃用作防火隔墻的應(yīng)用實(shí)例Fig.1 Examples of using toughened glass as fire barrier

但鋼化玻璃作為防火分隔物時(shí),在火災(zāi)中可能存在以下問(wèn)題[4,5]:

(1)鋼化玻璃作為安全玻璃的一種,在一定溫度下能在一定時(shí)間內(nèi)阻隔火災(zāi)直接蔓延和火災(zāi)煙氣擴(kuò)散,但不能有效阻隔熱量向其背火面?zhèn)鞑?可能引燃玻璃背火面附近的可燃物,導(dǎo)致火災(zāi)蔓延。

(2)在高溫作用下,如玻璃與框架之間的間隙防火封堵不嚴(yán)或兩者熱脹系數(shù)不一致,可能導(dǎo)致玻璃破碎或框架變形而出現(xiàn)透火現(xiàn)象。

(3)鋼化玻璃用于防火分隔時(shí),其耐火時(shí)間不能滿(mǎn)足國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)消防技術(shù)規(guī)范的要求。

而采用鋼化玻璃進(jìn)行防火隔墻的可行性研究尚不多見(jiàn),且不系統(tǒng),給建筑的防火設(shè)計(jì)和消防監(jiān)督審核、帶來(lái)一定困難。

本文將在實(shí)體火災(zāi)模擬試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)研究鋼化玻璃在火災(zāi)中的行為來(lái)論證其用于室內(nèi)步行街兩側(cè)商鋪相關(guān)部位防火分隔的可行性,并為完善相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

1 全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)研究

1.1 建立實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

1.1.1 試驗(yàn)房間

萬(wàn)達(dá)商業(yè)廣場(chǎng)(第三代店)為典型的商業(yè)綜合體建筑,本文采用該建筑內(nèi)步行街兩側(cè)完成裝修后的典型商鋪各部位的實(shí)際尺寸建立試驗(yàn)房間。房間采用磚混結(jié)構(gòu),除面向步行街側(cè)采用鋼化玻璃外,其他部位采用粘土磚填充,屋頂采用混凝土預(yù)制板和彩板布面打膠防水,見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)房間示意圖及照片F(xiàn)ig.2 The photos and schemes of test room

1.1.2 鋼化玻璃的選型及安裝

鋼化玻璃按形狀分為平面鋼化玻璃和曲面鋼化玻璃。其中,平面鋼化玻璃厚度有 4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm 和 19mm 八種;曲面鋼化玻璃厚度有5mm、6mm和8mm三種[6]。建筑工程中通用厚度為10mm的平面鋼化玻璃?？紤]到試驗(yàn)的花費(fèi),本文也采用此規(guī)格的玻璃進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)工程實(shí)際和制造商的生產(chǎn)能力,試驗(yàn)選取具有較好代表性的單片鋼化玻璃,每塊尺寸為2.4m(高)×2.0m(寬)。玻璃采用落地式安裝,上邊框距地2.4m,與上方屋頂形成的空隙采用防火材料進(jìn)行封堵,不同玻璃之間采用不銹鋼框架固定,如圖3所示。

圖3 玻璃試件安裝立面圖Fig.3 Glass installation vertical view

1.1.3 自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)的安裝[7]

對(duì)于玻璃冷卻保護(hù),本試驗(yàn)選用普通邊墻型側(cè)式噴頭。其中,K-80邊墻型側(cè)式噴頭的噴水強(qiáng)度為0.5L/s·m,公稱(chēng)動(dòng)作溫度為68℃。噴頭安裝間距為2m,每塊玻璃均由一個(gè)灑水噴頭保護(hù),共布置6個(gè)噴頭,如圖4所示。其中,噴頭濺水盤(pán)與玻璃框頂板的垂直距離為0mm～100mm,與鋼化玻璃的水平距離為200mm。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量

1.2.1 溫度測(cè)量

試驗(yàn)過(guò)程中的特征點(diǎn)溫度,采用 K型鎧裝鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量。試驗(yàn)中沿玻璃中心線(xiàn)緊貼玻璃在鋼化玻璃試件兩側(cè)各布置了一支溫度測(cè)試柱,即迎火面溫度測(cè)試柱和背火面溫度測(cè)試柱,分別測(cè)試玻璃迎火面和背火面的溫度,共布置了36支熱電偶。每支測(cè)試柱由三個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)組成,分別距地面0.5m、1.1m和2.2m,如圖5所示。

1.2.2 熱輻射強(qiáng)度測(cè)量

在距地面1.2m,水平距每片鋼化玻璃3m處及6m處布置熱流計(jì),共布置12支;同時(shí)在距地面1.1m及2.2m,水平距火源2m處布置熱流計(jì)2支,如圖6所示。

圖4 試驗(yàn)房間噴頭布置示意圖Fig.4 Nozzle schemes of test room

圖5 玻璃迎、背火面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Measurement layout of glass back and front surface temperatures

圖6 熱流計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Measurement layout of heat flux

1.3 火源設(shè)置及最大熱釋放速率的確定

考慮到商店可燃物種類(lèi)較多,發(fā)生火災(zāi)的類(lèi)型可能有多種,本試驗(yàn)擬以A類(lèi)木垛火和B類(lèi)油池火兩種類(lèi)型的火災(zāi)來(lái)進(jìn)行研究,驗(yàn)證不同火災(zāi)類(lèi)型下水冷卻系統(tǒng)對(duì)玻璃的保護(hù)效果。

對(duì)于商鋪火災(zāi),考慮到店鋪內(nèi)布置了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),采用DETACT-DET12對(duì)噴頭的熱敏性能進(jìn)行分析,模擬計(jì)算條件如下:(1)火災(zāi)為自由發(fā)展的t2快速火災(zāi);(2)頂棚距火源高度:3.5m;(3)快速?lài)婎^響應(yīng)時(shí)間指數(shù)RTI=50m1/2s1/2,噴頭動(dòng)作溫度為68℃,噴頭間距3.6m,噴頭距火源最遠(yuǎn)水平距離為2.5m;(4)環(huán)境溫度20℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,噴頭在178.8s時(shí)動(dòng)作,此時(shí)火災(zāi)熱釋放速率為1.5MW。因此,試驗(yàn)采用火源的最大火災(zāi)熱釋放速率為1.5MW。

木垛參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《推車(chē)式滅火器》(GB8109-2005)的規(guī)定制作:木垛的尺寸為1.3m×0.5m×0.56m。根據(jù)公安部天津消防研究所的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),木垛燃燒時(shí)最大熱釋放速率約為1.1MW[8]。同時(shí),引燃裝置油盤(pán)的火源最大熱釋放速率可達(dá)到0.4MW,故本次試驗(yàn)的火源可達(dá)到的最大熱釋放速率約為1.5MW。

油池火采用長(zhǎng)寬為0.8m,高0.4m的油盤(pán)置于距待測(cè)鋼化玻璃旁,油盤(pán)內(nèi)先倒入約5cm高的清水,再將40kg重油倒入油盤(pán)內(nèi)。在工程上,當(dāng)液池直徑較大時(shí),通常近似把重油燃燒速度取為3.3mm/min[9],則1min可燃燒2.11L的重油。重油密度可近似取為895kg/m3,熱值約為40MJ/kg[10],故可計(jì)算出1min燃燒產(chǎn)生的熱量為75.61MJ,故其熱釋放速率約為75.61MJ/60s=1.26MW。

1.4 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)共進(jìn)行了6次,其中包括不同火源形式熱煙試驗(yàn)2次、無(wú)水系統(tǒng)冷卻保護(hù)破壞性試驗(yàn)2次和水系統(tǒng)延遲啟動(dòng)冷脆破壞性試驗(yàn)2次。

表1 實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)工況統(tǒng)計(jì)Table 1 Fire tests statistics

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同火源形式熱煙試驗(yàn)

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26MW油池火),如自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)正常啟動(dòng),均能對(duì)鋼化玻璃門(mén)和窗進(jìn)行有效保護(hù),可阻止玻璃因過(guò)熱發(fā)生炸裂失去其完整性。有關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象圖7所示:

圖7 試驗(yàn)過(guò)程相關(guān)照片F(xiàn)ig.7 Test process photos

從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,當(dāng)噴頭濺水盤(pán)低于玻璃上檐時(shí),水流呈一定角度的傘狀到達(dá)玻璃后順玻璃流下,因此玻璃上邊緣左右兩側(cè)角落處均有一定的區(qū)域未能被完全保護(hù)。根據(jù)布水的效果可將玻璃分為三個(gè)區(qū)域,上側(cè)角落處存在一定的干燥區(qū),該區(qū)域基本無(wú)水到達(dá),可稱(chēng)為盲區(qū);噴頭下中間一定區(qū)域水到玻璃達(dá)后形成水簾向下流,該區(qū)域保護(hù)效果最好,可稱(chēng)為水流區(qū);介于盲區(qū)和水流區(qū)中間有部分區(qū)域雖然有一定的水到達(dá),但是由于水流較小,不能形成明顯的向下水流,該區(qū)可稱(chēng)為濕潤(rùn)區(qū),濕潤(rùn)區(qū)的保護(hù)效果較水流區(qū)差,且在火災(zāi)高溫下靠近盲區(qū)側(cè)可能由于蒸發(fā)等因素而轉(zhuǎn)化為盲區(qū)。而當(dāng)噴頭濺水盤(pán)與玻璃上檐平齊時(shí),或增大普通邊墻型噴頭安裝密度、工作壓力可有效減少自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)中的死角范圍。

采用水系統(tǒng)對(duì)玻璃進(jìn)行冷卻保護(hù)時(shí),噴頭會(huì)在90s左右啟動(dòng),此時(shí)玻璃上方溫度較高,迎火面溫度從89℃迅速降低至60℃,背火面溫度從75℃迅速降低至56℃;玻璃中下方溫度較低,迎火面最高溫度達(dá)到58℃,背火面最高溫度54℃。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖8所示:

圖8 玻璃內(nèi)外側(cè)溫度曲線(xiàn)Fig.8 Glass inside and outside temperatures

2.2 無(wú)水系統(tǒng)冷卻保護(hù)熱煙破壞性試驗(yàn)

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26 MW油池火),如自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)未啟動(dòng),10mm厚鋼化玻璃會(huì)在8min～12min之間破裂或破碎。其中,玻璃破碎時(shí)間取決于火災(zāi)規(guī)模、火源與玻璃的距離及玻璃厚度,加大火災(zāi)規(guī)模、減小火源與玻璃的距離或降低玻璃厚度時(shí),會(huì)使玻璃的破碎時(shí)間大大提前。

鋼化玻璃門(mén)窗固定采用鋼框架,密封采用防火膠條,在玻璃破碎前,在300℃～400℃時(shí)鋼框架強(qiáng)度下降,發(fā)生嚴(yán)重變形。同時(shí)防火膠條出現(xiàn)膨脹、軟化和脫落,導(dǎo)致煙氣透過(guò)玻璃與鋼框之間縫隙溢出和透火情況發(fā)生。有關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象圖9所示:

圖9 試驗(yàn)過(guò)程相關(guān)照片F(xiàn)ig.9 Test process

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26 MW油池火),雖然玻璃破碎時(shí)間略有不同,但各次試驗(yàn)中同樣規(guī)格玻璃破碎時(shí)的溫度范圍大致相同,10mm厚的鋼化玻璃窗的破碎溫度在 300℃～350℃之間。

當(dāng)火源(1.5MW木垛火)充分燃燒后,其輻射熱流強(qiáng)度也趨于穩(wěn)定,火源附近2m處的熱流強(qiáng)度在10 kW/m2～16kW/m2之間。而玻璃背火面的熱流強(qiáng)度隨著火源功率、自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)情況以及玻璃表面的溫度變化而變化。在自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)未啟動(dòng)時(shí),玻璃表面的溫度較高,背火面距離玻璃3m處的熱流強(qiáng)度在4.5kW/m2左右;當(dāng)自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)有效時(shí),玻璃表面的溫度較低,背火面距離玻璃3m處的熱流強(qiáng)度在2kW/m2左右。因此,可知有水系統(tǒng)保護(hù)時(shí),距離玻璃背火面3m處的熱流強(qiáng)度比無(wú)自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)時(shí)降低了40%～60%,說(shuō)明自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)形成的水簾可有效阻隔熱量向玻璃背火面的傳播,大大降低玻璃背火面的溫度和輻射熱通量。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖10所示:

圖10 相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig.10 Test data

2.3 水系統(tǒng)延遲啟動(dòng)冷脆破壞性試驗(yàn)

如自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)延時(shí)啟動(dòng)(滯后2min左右啟動(dòng)),即當(dāng)火源(1.26MW油池火)燃燒一段時(shí)間后,玻璃受火源熱作用局部溫度達(dá)到200℃以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的變形,此時(shí)進(jìn)行噴水保護(hù),會(huì)造成玻璃迅速冷脆炸裂,從而失去完整性。因此,一旦自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)未及時(shí)啟動(dòng),并造成玻璃表面與冷卻水之間溫差較大(兩者溫差在150℃以上)時(shí),玻璃會(huì)發(fā)生冷脆炸裂現(xiàn)象。因此,為避免以上現(xiàn)象的發(fā)生,自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)宜采用快速響應(yīng)噴頭以確保其及時(shí)啟動(dòng)對(duì)玻璃進(jìn)行保護(hù)。有關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象圖11所示。

圖11 試驗(yàn)過(guò)程相關(guān)照片F(xiàn)ig.11 Test process

就玻璃形式而言,雙層夾膠玻璃較單片玻璃安全性要高一些,主要是夾膠玻璃中間層的膠膜堅(jiān)韌且附著力強(qiáng),受沖擊破損后不易被貫穿,碎片不會(huì)脫落,與膠膜緊緊地粘合在一起。因此,在外層玻璃未碎情況下,即使內(nèi)層玻璃因水冷卻系統(tǒng)延時(shí)啟動(dòng)破碎也不會(huì)失去其完整性,故玻璃構(gòu)件宜采用鋼化夾膠玻璃,可避免其早期破碎失去完整性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼化玻璃作防火分隔物的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)驗(yàn)證[11-13],可以得知,合理的自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以改善鋼化玻璃在耐火完整性、隔熱性和熱輻射照度方面的性能,在一定程度上可作為有效的防火分隔措施。

(1)自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)的可行方案:對(duì)于高度不超過(guò)4m的玻璃構(gòu)件,為降低其背火面的輻射強(qiáng)度和溫升可采用閉式快速響應(yīng)噴頭保護(hù)。噴頭工作壓力應(yīng)經(jīng)計(jì)算確定,最不利點(diǎn)壓力不應(yīng)小于0.1MPa(噴水強(qiáng)度不應(yīng)小于0.5L/s.m),噴頭濺水盤(pán)宜與玻璃上檐平齊,噴頭間距不大于2m,且與玻璃的水平距離不大于0.3m,持續(xù)噴水時(shí)間不小于構(gòu)件按規(guī)范要求所需的耐火極限[7]。

(2)關(guān)于噴頭的選擇:與窗玻璃噴頭相比,普通邊墻型噴頭的優(yōu)點(diǎn)是在保護(hù)玻璃的同時(shí)對(duì)其下方一定范圍內(nèi)火源兼具滅火功能,缺點(diǎn)是所保護(hù)玻璃上邊緣左右兩側(cè)存在盲區(qū),不能對(duì)玻璃進(jìn)行完全保護(hù)。綜上,筆者認(rèn)為對(duì)于玻璃分隔構(gòu)件可采用窗玻璃噴頭或普通邊墻型噴頭進(jìn)行冷卻保護(hù)。同時(shí),可考慮增大普通邊墻型噴頭安裝密度和工作壓力來(lái)減少自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)保護(hù)中的死角范圍。

(3)關(guān)于開(kāi)式及閉式系統(tǒng)的選擇:從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)看,閉式系統(tǒng)噴頭均可在100s內(nèi)啟動(dòng)對(duì)玻璃進(jìn)行冷卻保護(hù),控制玻璃溫度升高,保證玻璃完整性?？紤]到開(kāi)式系統(tǒng)需要加裝火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng),且因管道充水存在一定的噴水延時(shí),另外用水量較大等因素,故宜優(yōu)先選用閉式系統(tǒng)。

(4)關(guān)于玻璃形式的選擇:就耐熱性能而言,采用鋼框固定10mm厚的平面鋼化玻璃的破碎溫度在300℃～350℃之間。但考慮到一旦自動(dòng)噴水冷卻系統(tǒng)延時(shí)啟動(dòng),單片鋼化玻璃存在冷脆炸裂的情況,故宜采用鋼化夾膠玻璃可避免以上情況的發(fā)生。

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Experimental study on the effect of toughened glass protected by water sprinkler as fire barrier

NI Zhao-peng1,LU Shi-chang1,LAI Jian-yan2HUANG Yi-liang1,GUO Wei1,XUE Gang1

(1.Tianjin Fire Research Institute of Ministry of Public Security,Tianjin,300381,China;2.Wanda Commercial Planning Institute CO.L TD,Beijin,100022,China)

Aiming at use requirement on toughened glass as fire barrier in the large-scale comprehensive commercial buildings,full scale fire tests were conducted to check the effect of toughened glass protected by water sprinkler as fire barrier,thereby a feasible sprinkler cooling system protection scheme was proposed.Based on the results,it was found that fast response sprinkler in high temperature smoke can timely start and cool glass to prevent the damage of the toughened glass integrity,and the temperature and thermal radiation intensity of glass back-fire surface were descreased as compared to the cases without sprinkler cooling system.

Water sprinkler;Toughened glass;Fire barrier;Fire integrity;Experimental study

X932

A

1004-5309(2011)-0125-08

2011-03-14;修改日期:2011-07-01

公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào):2010yycxTJXF134)

倪照鵬(1966-),男,江蘇泗洪人,公安部天津消防研究所規(guī)范研究室主任,研究員,主要從事建筑防火與消防安全工程、建筑消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的研究。