剖析佛山鋼構修建火災現場痕跡識別技術
發布時間：[2015-1-10] 查看次數：5801
剖析佛山鋼構修建火災現場痕跡識別技術 佛山鋼構系統具備強度高、自重輕、造價低、建設周期短等優勢，已廣泛應用于工業廠房、機場車庫、體育場館、購物中心等修建，但此類修建的火災發作頻率呈現逐年上升趨勢，特別是重特大火災時有發作。如1998年北京玉泉營環島家具城火災；2003年8月浙江臺州飛躍集團股份公司火災等。在火災現場勘驗過程中，因為修建坍毀后現場的復雜性，給火災緣由認定帶來了很大的困難。 鋼材在高溫效果下表現出特有的性質，鋼結構修建火災現場也呈現出其特有的痕跡證據。經過對鋼結構火災現場修建構件的坍毀痕跡、變形痕跡、變色痕跡及熔化痕跡等方面的研究，歸納總結出行之有效的鋼結構修建火災現場痕跡的識別技術，針對鋼結構修建火災容易呈現的大面積坍毀、現場挖掘勘驗費時費力、起火部位起火點難以確定等問題供給解決辦法與技術支持。 鋼結構是土木項目中非常重要的結構方式，在工業與民用修建等土木項目中得到了廣泛地應用。鋼結構修建主要包括單層或低層修建、多層或高層修建等，是以鋼結構為骨架，配以具有防火、防水、隔聲、隔熱等功能的墻板和樓板拼裝而成。鋼結構的特點是強度高，質量小；耐性好，塑性強，抗震性能高；制造簡單，施工周期短；鋼構件受熱易變形，導致修建物坍毀。 在近現代鋼材逐步普及運用后，隨之帶來的鋼結構修建火災頻率的逐步升高，1990年英國一幢多層鋼結構修建在施工階段發作火災，造成鋼柱、鋼梁和樓蓋鋼桁架的嚴峻損壞；2001年9月11日美國紐約世貿中心大樓南北樓分別被劫持客機撞擊后發作大火，經過一個多小時的燃燒后南北樓相繼坍毀。 研究表明，鋼材強度隨溫度上升而逐步降低，當溫度達到350℃、500℃、600℃時，其強度分別降低1/3、1/2和2/3；當溫度超越700℃時，構件強度要減少80%此刻鋼結構修建極易發作變形坍毀等。在實踐中大部分鋼結構修建火災常發作于倉庫，倉房，商場，簡易工棚等，空間跨度大，門窗多，通風好，可燃物料多，一旦發作火災，火勢會越燒越旺，在較短時刻內火災就會發展到猛烈階段；此刻因為鋼材本身耐火極限低，導熱速度又很快，在很短時刻鋼材強度將喪失殆盡，加之很多鋼結構修建的鋼構件未采用防火涂料保護，即使采用了防火涂料的，因其質量不一樣而價格有高低，部分單位為節省投資選擇質量差的防火涂料；且鋼結構的主體設計運用年限通常是50年，而鋼結構防火涂料的運用壽命遠低于50年，企業通常不太可能自行在防火涂料失效后重新涂刷，這樣就造成在鋼結構運用后期,涂覆在其上的防火涂料起不到防火效果。另外在某些廠房或是倉庫、工棚類的鋼結構，其墻體與屋面板采用的填充材料往往是聚氨酯和聚苯乙烯這兩類耐火極限非常低的材料，當發作火災時，往往會加速依附的鋼構件升溫，導致構件更快被損壞，修建因而發作變形甚至坍毀。 因高層與超高層鋼結構修建火災發作少，案例有限，且高層鋼結構修建火災發作變形坍毀后，現場痕跡特征不明顯，因而本論文以平時生活中常發作輕鋼及大跨度鋼結構修建火災現場痕跡識別著重討論。 坍毀痕跡作為勘驗火災現場的一種重要痕跡證據，在鋼結構修建火災中同樣不容忽視。鋼結構修建構件的坍毀的構成，很大緣由是因為鋼材的高溫力學性能的外在表現:鋼材的剛度指的是鋼材抵抗變形形變的能力大小，剛度K=EA/L,其中E為彈性模量，A為橫截面積，L為垂直于截面長度。當在火災現場中時，橫截面積A其因為熱脹冷縮的大小變化忽略不計，其彈性模量隨溫度升高而急劇降低，導致剛度K急劇減小，鋼材剛度過小，無法抵抗變形保持原狀。受火鋼結構失穩發作變形坍毀等。 鋼結構修建火災的坍毀痕跡作為修建火災痕跡的一種，它遵從修建火災的一個基本規律：即向著起火部位或迎著火災火勢延伸來的方向坍毀，但鋼結構坍毀痕跡的剖析及證明效果又區別于其他火災現場的坍毀痕跡，它有著自身特征。鋼結構修建的坍毀分為部分坍毀和整體坍毀，但無論是怎樣的坍毀，都是一部分一部分的坍毀，通常不會一次性全部坍毀。鋼結構修建坍毀后，在火災中因為其整體銜接性好，受救活影響方位變動較小。如現在運用廣泛的許屋架修建的屋面是由不燃材料彩鋼板或鍍鋅鐵皮制成，火災后仍能較完整的保留現場，而不像木屋架修建火災后，受救活及其他因素影響，屋頂塌落物方位變動較大。鋼屋架修建火災中屋面的坍毀形狀常見的有U形、斜面形、和梯形坍毀痕跡。 鋼屋架修建火災中，假如修建內的火災荷載高，屋頂兩側呈現相向坍毀時常常構成U形屋面坍毀形狀，其特點是橫梁與兩側柱仍然銜接在一起。斜面形屋面坍毀形狀是因為火災發作在靠近修建物一側構成的。鋼屋架修建起火后，先被燒的部位因為靠修建物的一側，導致橫梁與柱的銜接點先失去強度，變形掉落構成斜面形屋面坍毀形狀。在多跨修建中，若鋼屋架屋面大面積坍毀，屋面既有斜面形坍毀形狀，又有U形坍毀形狀，則火災發作的部位肯定在U形屋面坍毀痕跡處，因為假如先發生的是斜面形坍毀形狀，闡明火災延伸的過程中，火勢先燒到起火跨與臨跨共用的立柱，這個共用的立柱與相鄰的橫梁銜接點首先在高溫效果下失去強度發作掉落，而在此種情況下的屋面坍毀形狀肯定是斜面形，不符合U形坍毀形狀的特征，所以應是有U形發展成斜面形。梯形屋面坍毀形狀通常是因為橫梁在柱的一側支座處掉落或鋼屋架修建屋面斜面形坍毀后火災繼續向未掉落一側延伸構成的。 鋼結構修建構件變形的緣由是鋼的強度隨火場溫度升高而降低，鋼材在升溫初始階段，彈性、塑性的變化不大，但在250℃左右時，鋼材抗拉強度提高而沖擊度耐性降低，這種表象叫做藍脆表象(表面氧化膜呈現藍色)。當溫度超越300℃以后，屈服點和極限強度顯著降低，達到500℃，其強度比照原來降低約一半，到達600℃時其強度比照原來降低了2/3。通常鋼結構修建在設計師，所考慮的常溫下受荷載效果下截面應力值是屈服點的一半，因而，溫度上升至500℃時，屈服強度降低到常溫的一半時，構件發作塑性形變而損壞，到600℃時強度簡直殆盡。此刻修建在縱向壓力和橫向應力的雙重效果下，鋼結構就會發作歪曲變形。因為鋼的熱膨脹系數同樣不小，在火災中受熱后膨脹比較嚴峻，鋼構件兩端受限制或各面被固定的鋼構件，也可能發生膨脹變形痕跡，膨脹程度同樣受溫度的高低的影響，溫度越高，熱膨脹程度越大，變形越大。 鋼結構修建構件在火災中因為高溫的效果，其強度逐步降低，通常離起火部位越近，其強度相對于其他部位的鋼構件及鋼構件本身的其他部位降低的更多，在無外加載荷的情況下，表現為面向起火方向向下變形軟化，當在有外加載荷的情況下，則向著受力方向變形。一起因為熱膨脹效果，受火面的鋼面熱膨脹程度大于非受火面，鋼構件向著非受火面曲折變形。但通常熱膨脹變化程度小于因強度減弱而造成的變形程度。 在火災中，鋼的迎火面首先遭到火災熱效果，強度降低，在沒有外加載荷效果的前提下，通常向著起火點變形，在有外加載荷的情況下，則向著受力方向變形，這是鋼結構修建構件變形痕跡證明效果的依據。鋼結構修建由各類鋼構件經過高強度螺栓等連為一個整體，當某部分的鋼構件在火災現場遭到高溫火焰及熱煙氣等影響而發作變形時，必然帶來以該構件為軸的部分范圍的修建構件變形。以一個鋼結構修建的基本承重單元——門式鋼架為例，在火災現場因為高溫的效果，其梁、柱都將發作不一樣程度的變形，其變形的方式主要有兩種：單向歪斜變形和兩側向中間變形。若起火部位靠近門式鋼架立柱鄰近，火災前期鋼立柱直接遭到火焰熱輻射效果，塑性增加，而橫梁受上升煙氣700℃以上的高溫效果，強度迅速降低；因為自身應力效果，門式鋼架的梁和柱最先受熱出向著起火點發作變形，而梁和柱的另一端離起火部位較遠，受溫度效果不大，鋼材強度降低較之更小，但遭到另一端變形形變的推應力效果，鋼立柱向外曲折，然后構成鋼構件單向歪斜變形；假如起火部位坐落門式鋼架中部，在門式鋼架這組合體中，因為火災溫度對兩邊立柱的效果基本相同，且因為懸浮熱煙氣的效果，鋼梁受熱后先于立柱失去承載能力而向著起火部位歪斜，一起，歪斜鋼梁牽拉兩邊立柱向內歪斜，整個鋼架構成兩側向中間歪斜的鋼構件變形痕跡，其最終痕跡相似圖3.5所示，鋼結構由兩邊向中間歪斜。在整個火災現場中，火災溫度效果范圍隨時刻逐步擴大，開始遭到高溫效果的一個或兩個鋼架變形發作，此刻鋼架組成的其余修建部分還未發作變形，因而，變形鋼架與未變形鋼架經過銜接構件彼此牽拉，發生效果力與反效果力，這種效果方式，在火災前期會在銜接構件上留下明顯痕跡。主要是起火部位兩個門式鋼架鋼柱發作相向歪曲變形，或是起火部位鄰近鋼架的銜接構件被拉長，銜接點被拉斷。 鋼結構修建構件在空氣中會和氧氣發作反應，在鋼構件表面構成氧化層。鋼鐵的氧化過程受溫度影響很大，溫度越高，氧化越快。因為鋼在不一樣條件下的氧化產物不一樣，使鋼的色彩發作變化，因而，鋼的氧化變色痕跡和受熱溫度之間存在對應關系。鋼在火災條件下會在其表面發作較常溫條件下快得多的氧化反應，發生鐵的氧化物銹化層。假如再在高溫并在有水或水蒸氣的效果下會生成一部分氫氧化物，在二氧化碳氣氛下還會生成少量堿式碳酸鐵。當火場溫度繼續升高時鋼結構構件將由各種氫氧化物與碳酸物分解為鐵的氧化物銹層。因而，火場中跟著火災時刻與火場溫度的變化，鋼結構構件的色彩也發作一系列變化。 鋼結構構件受熱溫度和時刻不一樣，構成的氧化層色彩也不一樣。在火場中，處于不一樣部位的鋼結構構件，甚至在同一構件上的不一樣部位的溫度差也很大。因而，在其表面上構成的色彩有明顯的層次，特別是薄板型黑色金屬。通常情況下，黑色金屬受熱溫度高，效果時刻長的部位構成的色彩呈各種紅色或淺淡色，色彩變化層次明顯，特別是溫度超越800℃以上的部位在其表面上還呈現發亮的“鐵鱗”薄片，質地硬而脆。當無涂層覆蓋的鋼鐵在火中氧化時，表面首先變成無光澤的藍灰色。氧化能夠構成脫落的厚氧化層。火災之后，假如金屬已被打濕，就能夠呈現通常銹色的氧化物。在不銹鋼表面上，中等氧化構成色紋，嚴峻氧化將構成不光澤的灰色。氧化能夠構成分界線，氧化厚度能夠顯示出火的大小和加熱量的多少。受熱溫度越高，受熱時刻越長，氧化越嚴峻。 在火災效果下，鋼材受熱痕跡表面也會氧化變色，主要是鐵在火場高溫效果下發生了Fe2O3、Fe3O4、FeO等，分別顯示不一樣的色彩。 在不一樣的鋼構件乃至同一構件的不一樣方位因為遭到火場輻射熱量的不一樣因而其溫度不一樣，表面所呈現出的色彩也有相應的不一樣，可以經過觀察鋼構件色彩變化的層次性來判斷鋼結構修建火災起火部位。在實踐火災現場中，鋼結構構件表面的色彩會呈現明顯的層次性，通常以起火點為中心向外呈現出淡黃色—黑紅色—藍色；有些黑色金屬構件涂油油漆，或表面采用烤漆、噴塑，不易辨別色彩的變化情況，但可以經過金屬表面油漆層被燒變色、裂痕、起泡等變化層次，找出溫度變化次序。而通常我們認為離起火點起火部位越近，受火時刻越長的，溫度將會越高。 鋼結構修建構件在火場中熔化痕跡的構成，可以分為兩種緣由，一是因為各類金屬構件熔點不一樣，當火場溫度達到該種金屬的熔點或熔化溫度范圍時，該金屬吸收熱量，克服分子間效果力，由固態轉變液態，金屬因發作熔化，構成熔痕；二是在電弧的效果下發生瞬間高溫，使得金屬發生熔化痕跡。各類金屬以及合金的熔點相對不一樣，在火場高溫的效果下，通常金屬構件不易被熔化，只有熔點較低的金屬能夠被熔化，如鋁及其合金；但因為短路等其他緣由發生電弧能在大部分金屬上留下熔化痕跡。 火災溫度下，鋼結構修建中構件金屬受熱達到熔點開始熔化，不一樣金屬熔化溫度不一樣，因而現場相應地構成不一樣程度的熔化痕跡。 溫度繼續升高，效果時刻增加時，其熔化面積擴大，長度變小，熔化程度變重；而且面向火源或火勢延伸方向的一側首先被加熱融化，程度比照非受熱面更重，構成明顯的受熱面。 另一方面，若是由電氣緣由發生的電弧金屬熔痕因為導體短路構成的，且通常電弧金屬熔痕構成的熔珠與熔坑在微觀形貌上和火燒熔化痕跡有著明顯不一樣：電弧熔痕通常為細小的柱狀晶或胞狀晶組成，有氣孔，其中一次短路熔痕內部氣孔少而小，二次短路熔痕內部氣孔多而大；而火燒熔痕則以粗大的等軸晶為主，簡直無氣孔。 鋼結構修建構件在火場溫度效果下金屬熔化程度與溫度有著內在聯系，不一樣的金屬有著不一樣的熔點，同類金屬熔化程度不一樣，熔化程度大的部位溫度高，而熔點低的未熔化而熔點高的金屬已經熔化的闡明熔點高的金屬部位溫度更高。通常金屬受火災溫度效果后構成的痕跡輕—重的次序為：金屬表面涂料變色—起泡—金屬表面變色—變形—熔化。這種痕跡和排列次序正好與火場溫度由低到高的變化次序相對應，指明火勢延伸方向。火災現場中金屬構件熔化時，面向延伸方向的一側受熱溫度高，熔化嚴峻，而背火面熔化相對較輕。起火點通常在被熔化部位，即溫度最高部位。這為火災調查人員判斷火場各部位溫度范圍及溫度供給了科學依據。若發現電弧熔痕，則應進一步剖析該熔痕是火災前短路構成的還是火災中短路構成的，即一次短路或是二次短路。若為一次熔痕，也稱原發性短路，該短路方位很可能為起火點，這為需找起火點起火緣由供給幫助。 經過本課題的研究討論，初步找到了鋼結構修建火災現場常見的痕跡特征：鋼結構修建構件坍毀、變形、變色、熔化等痕跡；總結了這些痕跡的構成機理，一起經過這幾種痕跡的證明效果得到了鋼結構火災現場簡單、易行的證明起火點起火部位或是火災延伸方向的辦法。在尋找這些痕跡及利用其證明效果時，要始終把握火災現場的高溫導致各類痕跡構成的基本原則，對這些痕跡處進行力學、化學剖析，然后找出溫度分布與鋼結構坍毀、變形對應關系，進而為火災現場勘驗指明方向。
