剖析佛山钢构修建火灾现场痕迹识别技术
发布时间：[2015-1-10] 查看次数：4704
剖析佛山钢构修建火灾现场痕迹识别技术 佛山钢构系统具备强度高、自重轻、造价低、建设周期短等优势，已广泛应用于工业厂房、机场车库、体育场馆、购物中心等修建，但此类修建的火灾发作频率呈现逐年上升趋势，特别是重特大火灾时有发作。如1998年北京玉泉营环岛家具城火灾；2003年8月浙江台州飞跃集团股份公司火灾等。在火灾现场勘验过程中，因为修建坍毁后现场的复杂性，给火灾缘由认定带来了很大的困难。 钢材在高温效果下表现出特有的性质，钢结构修建火灾现场也呈现出其特有的痕迹证据。经过对钢结构火灾现场修建构件的坍毁痕迹、变形痕迹、变色痕迹及熔化痕迹等方面的研究，归纳总结出行之有效的钢结构修建火灾现场痕迹的识别技术，针对钢结构修建火灾容易呈现的大面积坍毁、现场挖掘勘验费时费力、起火部位起火点难以确定等问题供给解决办法与技术支持。 钢结构是土木项目中非常重要的结构方式，在工业与民用修建等土木项目中得到了广泛地应用。钢结构修建主要包括单层或低层修建、多层或高层修建等，是以钢结构为骨架，配以具有防火、防水、隔声、隔热等功能的墙板和楼板拼装而成。钢结构的特点是强度高，质量��；耐性好，塑性强，抗震性能高；制造简单，施工周期短；钢构件受热易变形，导致修建物坍毁。 在近现代钢材逐步普及运用后，随之带来的钢结构修建火灾频率的逐步升高，1990年英国一幢多层钢结构修建在施工阶段发作火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严峻损坏；2001年9月11日美国纽约世贸中心大楼南北楼分别被劫持客机撞击后发作大火，经过一个多小时的燃烧后南北楼相继坍毁。 研究表明，钢材强度随温度上升而逐步降低，当温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别降低1/3、1/2和2/3；当温度超越700℃时，构件强度要减少80%此刻钢结构修建极易发作变形坍毁等。在实践中大部分钢结构修建火灾常发作于仓库，仓房，商场，简易工棚等，空间跨度大，门窗多，通风好，可燃物料多，一旦发作火灾，火势会越烧越旺，在较短时刻内火灾就会发展到猛烈阶段；此刻因为钢材本身耐火极限低，导热速度又很快，在很短时刻钢材强度将丧失殆尽，加之很多钢结构修建的钢构件未采用防火涂料�；ぃ词共捎昧朔阑鹜苛系�，因其质量不一样而价格有高低，部分单位为节省投资选择质量差的防火涂料；且钢结构的主体设计运用年限通常是50年，而钢结构防火涂料的运用寿命远低于50年，企业通常不太可能自行在防火涂料失效后重新涂刷，这样就造成在钢结构运用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火效果。另外在某些厂房或是仓库、工棚类的钢结构，其墙体与屋面板采用的填充材料往往是聚氨酯和聚苯乙烯这两类耐火极限非常低的材料，当发作火灾时，往往会加速依附的钢构件升温，导致构件更快被损坏，修建因而发作变形甚至坍毁。 因高层与超高层钢结构修建火灾发作少，案例有限，且高层钢结构修建火灾发作变形坍毁后，现场痕迹特征不明显，因而本论文以平时生活中常发作轻钢及大跨度钢结构修建火灾现场痕迹识别着重讨论。 坍毁痕迹作为勘验火灾现场的一种重要痕迹证据，在钢结构修建火灾中同样不容忽视。钢结构修建构件的坍毁的构成，很大缘由是因为钢材的高温力学性能的外在表现:钢材的刚度指的是钢材抵抗变形形变的能力大小，刚度K=EA/L,其中E为弹性模量，A为横截面积，L为垂直于截面长度。当在火灾现场中时，横截面积A其因为热胀冷缩的大小变化忽略不计，其弹性模量随温度升高而急剧降低，导致刚度K急剧减小，钢材刚度过小，无法抵抗变形保持原状。受火钢结构失稳发作变形坍毁等。 钢结构修建火灾的坍毁痕迹作为修建火灾痕迹的一种，它遵从修建火灾的一个基本规律：即向着起火部位或迎着火灾火势延伸来的方向坍毁，但钢结构坍毁痕迹的剖析及证明效果又区别于其他火灾现场的坍毁痕迹，它有着自身特征。钢结构修建的坍毁分为部分坍毁和整体坍毁，但无论是怎样的坍毁，都是一部分一部分的坍毁，通常不会一次性全部坍毁。钢结构修建坍毁后，在火灾中因为其整体衔接性好，受救活影响方位变动较小。如现在运用广泛的许屋架修建的屋面是由不燃材料彩钢板或镀锌铁皮制成，火灾后仍能较完整的保留现场，而不像木屋架修建火灾后，受救活及其他因素影响，屋顶塌落物方位变动较大。钢屋架修建火灾中屋面的坍毁形状常见的有U形、斜面形、和梯形坍毁痕迹。 钢屋架修建火灾中，假如修建内的火灾荷载高，屋顶两侧呈现相向坍毁时常常构成U形屋面坍毁形状，其特点是横梁与两侧柱仍然衔接在一起。斜面形屋面坍毁形状是因为火灾发作在靠近修建物一侧构成的。钢屋架修建起火后，先被烧的部位因为靠修建物的一侧，导致横梁与柱的衔接点先失去强度，变形掉落构成斜面形屋面坍毁形状。在多跨修建中，若钢屋架屋面大面积坍毁，屋面既有斜面形坍毁形状，又有U形坍毁形状，则火灾发作的部位肯定在U形屋面坍毁痕迹处，因为假如先发生的是斜面形坍毁形状，阐明火灾延伸的过程中，火势先烧到起火跨与临跨共用的立柱，这个共用的立柱与相邻的横梁衔接点首先在高温效果下失去强度发作掉落，而在此种情况下的屋面坍毁形状肯定是斜面形，不符合U形坍毁形状的特征，所以应是有U形发展成斜面形。梯形屋面坍毁形状通常是因为横梁在柱的一侧支座处掉落或钢屋架修建屋面斜面形坍毁后火灾继续向未掉落一侧延伸构成的。 钢结构修建构件变形的缘由是钢的强度随火场温度升高而降低，钢材在升温初始阶段，弹性、塑性的变化不大，但在250℃左右时，钢材抗拉强度提高而冲击度耐性降低，这种表象叫做蓝脆表象(表面氧化膜呈现蓝色)。当温度超越300℃以后，屈服点和极限强度显著降低，达到500℃，其强度比照原来降低约一半，到达600℃时其强度比照原来降低了2/3。通常钢结构修建在设计师，所考虑的常温下受荷载效果下截面应力值是屈服点的一半，因而，温度上升至500℃时，屈服强度降低到常温的一半时，构件发作塑性形变而损坏，到600℃时强度简直殆尽。此刻修建在纵向压力和横向应力的双重效果下，钢结构就会发作歪曲变形。因为钢的热膨胀系数同样不小，在火灾中受热后膨胀比较严峻，钢构件两端受限制或各面被固定的钢构件，也可能发生膨胀变形痕迹，膨胀程度同样受温度的高低的影响，温度越高，热膨胀程度越大，变形越大。 钢结构修建构件在火灾中因为高温的效果，其强度逐步降低，通常离起火部位越近，其强度相对于其他部位的钢构件及钢构件本身的其他部位降低的更多，在无外加载荷的情况下，表现为面向起火方向向下变形软化，当在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形。一起因为热膨胀效果，受火面的钢面热膨胀程度大于非受火面，钢构件向着非受火面曲折变形。但通常热膨胀变化程度小于因强度减弱而造成的变形程度。 在火灾中，钢的迎火面首先遭到火灾热效果，强度降低，在没有外加载荷效果的前提下，通常向着起火点变形，在有外加载荷的情况下，则向着受力方向变形，这是钢结构修建构件变形痕迹证明效果的依据。钢结构修建由各类钢构件经过高强度螺栓等连为一个整体，当某部分的钢构件在火灾现场遭到高温火焰及热烟气等影响而发作变形时，必然带来以该构件为轴的部分范围的修建构件变形。以一个钢结构修建的基本承重单元——门式钢架为例，在火灾现场因为高温的效果，其梁、柱都将发作不一样程度的变形，其变形的方式主要有两种：单向歪斜变形和两侧向中间变形。若起火部位靠近门式钢架立柱邻近，火灾前期钢立柱直接遭到火焰热辐射效果，塑性增加，而横梁受上升烟气700℃以上的高温效果，强度迅速降低；因为自身应力效果，门式钢架的梁和柱最先受热出向着起火点发作变形，而梁和柱的另一端离起火部位较远，受温度效果不大，钢材强度降低较之更小，但遭到另一端变形形变的推应力效果，钢立柱向外曲折，然后构成钢构件单向歪斜变形；假如起火部位坐落门式钢架中部，在门式钢架这组合体中，因为火灾温度对两边立柱的效果基本相同，且因为悬浮热烟气的效果，钢梁受热后先于立柱失去承载能力而向着起火部位歪斜，一起，歪斜钢梁牵拉两边立柱向内歪斜，整个钢架构成两侧向中间歪斜的钢构件变形痕迹，其最终痕迹相似图3.5所示，钢结构由两边向中间歪斜。在整个火灾现场中，火灾温度效果范围随时刻逐步扩大，开始遭到高温效果的一个或两个钢架变形发作，此刻钢架组成的其余修建部分还未发作变形，因而，变形钢架与未变形钢架经过衔接构件彼此牵拉，发生效果力与反效果力，这种效果方式，在火灾前期会在衔接构件上留下明显痕迹。主要是起火部位两个门式钢架钢柱发作相向歪曲变形，或是起火部位邻近钢架的衔接构件被拉长，衔接点被拉断。 钢结构修建构件在空气中会和氧气发作反应，在钢构件表面构成氧化层。钢铁的氧化过程受温度影响很大，温度越高，氧化越快。因为钢在不一样条件下的氧化产物不一样，使钢的色彩发作变化，因而，钢的氧化变色痕迹和受热温度之间存在对应关系。钢在火灾条件下会在其表面发作较常温条件下快得多的氧化反应，发生铁的氧化物锈化层。假如再在高温并在有水或水蒸气的效果下会生成一部分氢氧化物，在二氧化碳气氛下还会生成少量碱式碳酸铁。当火场温度继续升高时钢结构构件将由各种氢氧化物与碳酸物分解为铁的氧化物锈层。因而，火场中跟着火灾时刻与火场温度的变化，钢结构构件的色彩也发作一系列变化。 钢结构构件受热温度和时刻不一样，构成的氧化层色彩也不一样。在火场中，处于不一样部位的钢结构构件，甚至在同一构件上的不一样部位的温度差也很大。因而，在其表面上构成的色彩有明显的层次，特别是薄板型黑色金属。通常情况下，黑色金属受热温度高，效果时刻长的部位构成的色彩呈各种红色或浅淡色，色彩变化层次明显，特别是温度超越800℃以上的部位在其表面上还呈现发亮的“铁鳞”薄片，质地硬而脆。当无涂层覆盖的钢铁在火中氧化时，表面首先变成无光泽的蓝灰色。氧化能够构成脱落的厚氧化层。火灾之后，假如金属已被打湿，就能够呈现通常锈色的氧化物。在不锈钢表面上，中等氧化构成色纹，严峻氧化将构成不光泽的灰色。氧化能够构成分界线，氧化厚度能够显示出火的大小和加热量的多少。受热温度越高，受热时刻越长，氧化越严峻。 在火灾效果下，钢材受热痕迹表面也会氧化变色，主要是铁在火场高温效果下发生了Fe2O3、Fe3O4、FeO等，分别显示不一样的色彩。 在不一样的钢构件乃至同一构件的不一样方位因为遭到火场辐射热量的不一样因而其温度不一样，表面所呈现出的色彩也有相应的不一样，可以经过观察钢构件色彩变化的层次性来判断钢结构修建火灾起火部位。在实践火灾现场中，钢结构构件表面的色彩会呈现明显的层次性，通常以起火点为中心向外呈现出淡黄色—黑红色—蓝色；有些黑色金属构件涂油油漆，或表面采用烤漆、喷塑，不易辨别色彩的变化情况，但可以经过金属表面油漆层被烧变色、裂痕、起泡等变化层次，找出温度变化次序。而通常我们认为离起火点起火部位越近，受火时刻越长的，温度将会越高。 钢结构修建构件在火场中熔化痕迹的构成，可以分为两种缘由，一是因为各类金属构件熔点不一样，当火场温度达到该种金属的熔点或熔化温度范围时，该金属吸收热量，克服分子间效果力，由固态转变液态，金属因发作熔化，构成熔痕；二是在电弧的效果下发生瞬间高温，使得金属发生熔化痕迹。各类金属以及合金的熔点相对不一样，在火场高温的效果下，通常金属构件不易被熔化，只有熔点较低的金属能够被熔化，如铝及其合金；但因为短路等其他缘由发生电弧能在大部分金属上留下熔化痕迹。 火灾温度下，钢结构修建中构件金属受热达到熔点开始熔化，不一样金属熔化温度不一样，因而现场相应地构成不一样程度的熔化痕迹。 温度继续升高，效果时刻增加时，其熔化面积扩大，长度变小，熔化程度变重；而且面向火源或火势延伸方向的一侧首先被加热融化，程度比照非受热面更重，构成明显的受热面。 另一方面，若是由电气缘由发生的电弧金属熔痕因为导体短路构成的，且通常电弧金属熔痕构成的熔珠与熔坑在微观形貌上和火烧熔化痕迹有着明显不一样：电弧熔痕通常为细小的柱状晶或胞状晶组成，有气孔，其中一次短路熔痕内部气孔少而小，二次短路熔痕内部气孔多而大；而火烧熔痕则以粗大的等轴晶为主，简直无气孔。 钢结构修建构件在火场温度效果下金属熔化程度与温度有着内在联系，不一样的金属有着不一样的熔点，同类金属熔化程度不一样，熔化程度大的部位温度高，而熔点低的未熔化而熔点高的金属已经熔化的阐明熔点高的金属部位温度更高。通常金属受火灾温度效果后构成的痕迹轻—重的次序为：金属表面涂料变色—起泡—金属表面变色—变形—熔化。这种痕迹和排列次序正好与火场温度由低到高的变化次序相对应，指明火势延伸方向�；鹪窒殖≈薪鹗艄辜刍�，面向延伸方向的一侧受热温度高，熔化严峻，而背火面熔化相对较轻。起火点通常在被熔化部位，即温度最高部位。这为火灾调查人员判断火场各部位温度范围及温度供给了科学依据。若发现电弧熔痕，则应进一步剖析该熔痕是火灾前短路构成的还是火灾中短路构成的，即一次短路或是二次短路。若为一次熔痕，也称原发性短路，该短路方位很可能为起火点，这为需找起火点起火缘由供给帮助。 经过本课题的研究讨论，初步找到了钢结构修建火灾现场常见的痕迹特征：钢结构修建构件坍毁、变形、变色、熔化等痕迹；总结了这些痕迹的构成机理，一起经过这几种痕迹的证明效果得到了钢结构火灾现场简单、易行的证明起火点起火部位或是火灾延伸方向的办法。在寻找这些痕迹及利用其证明效果时，要始终把握火灾现场的高温导致各类痕迹构成的基本原则，对这些痕迹处进行力学、化学剖析，然后找出温度分布与钢结构坍毁、变形对应关系，进而为火灾现场勘验指明方向。
