(一)引言
全球范圍內,對
高層建筑火勢蔓延的研究由來已久。在過往幾十年里,對于如何控制火勢的蔓延已經有很好的工程實踐。眾多國家和地區已經對幕墻層間縫的防火封堵工法采用了標準化試驗。相關建筑及安全規范開始對帶有幕墻的高層建筑作出規定,以確保生命和財產安全。
為了更好地理解火勢在帶有
玻璃幕墻的高層建筑中如何蔓延,我們需要想象這樣—個場景:如果火災發生在某個樓層,隨著火勢的蔓延,該樓層室內壓力慢慢增大,幕墻中的玻璃在火焰的吞卷下破裂,從而使更多的氧氣補充到室內,助長火勢進一步增大,蔓延至上一樓層的板底和幕墻結構的內側。而且,某束火苗可能從破碎的窗戶竄出,開始侵襲上層幕墻結構的外側。如果樓板和幕墻結構之間存在縫隙,火焰會迅速地從這個層間縫上竄到上一樓層(參見圖1、對于這個挑戰,需要合理地設計和安裝一個層間縫防火系統,既可以在火災全程保持穩定,又可以滿足雙面受火,避免火勢豎向蔓延的要求。
由于很多幕墻結構的
建材并非
耐火材料,所以進一步加劇了火災在高層建筑中的蔓延。諸如玻璃或鋁質
型材通常會被整合到現代的幕墻結構中。通常情況下,這些材料會特意做得比較輕薄,從而削弱了他們的
耐火性能。—般情況下,玻璃會在受火后5~15分鐘發生破碎,鋁質型材在達到660° C時就會融化。盡管有時采用了被認為耐火性能更好的材料,但是,這些材料在實際火災中往往都出現失效的情況,例如,花崗巖、大理石、石灰華或灰沙石等石質隔板或填充隔板本身是良好的耐火材料,不會燃燒。但是,在火災中這些
板材受熱后會產生破裂,甚至由于在各個方向產生的不同程度的延伸,或者
石材內含有一定的濕氣,受熱后發生爆炸。難道這就意味著這些材料不能采用?事實絕非如此。
最可行的辦法是通過采用帶有高溫
絕緣材料的簡單系統,提高這些構件的耐火性能,同時,正確安裝防火封堵系統。本文就相關問題進行探討,并將相關工程應用經驗作為分享。
(二)層間縫防火封堵系統介紹
層間縫防火封堵系統,這一詞迅速成為了防止高層建筑火勢蔓延的同義詞。層間縫防火封堵系統包栝耐火樓板組件、外墻組件和安裝在外墻跟樓板間隙中的材料,這些材料避免了樓層與樓層間形成火勢蔓延的通道。
某些國家采用了一些試驗標準來評估層間縫防火系統的相關性能。其中一個標準是美國的《層間縫耐火性能的測試標準(ISMA)》ASTM E2307-10,該標準采用一個兩層的中等比例結構模型來評估用于高層建筑的層間縫防火封堵系統的耐火時效(參見圖2及圖3、該模型的前面是一個玻璃幕墻結構;上層是觀察室,下層是實驗室(火爐),上、下層間是鋼筋混凝土樓板。層間縫防火系統安裝在樓板與幕墻的分隔帶之間的水平縫隙中(參見圖4)
試驗結構安裝完畢后,點燃實驗室中的火爐(參見圖5)。5分鐘后,玻璃幕墻外用于模擬窗戶破碎后火焰上竄的另一個火源被點燃(參見圖6)。也就是說,幕墻結構外部構件直接受火的同時,內部的火源已經襲擊到幕墻結構的內部構件、樓板的底部和層間縫防火封堵系統的相關材料。試驗終止是按試驗失效現象出現或達到預期的耐火時效后終止。試驗失效,是指在觀察室出現火焰穿過了防火封堵系統的現象。另外,如果出現任何熱點,也視為試驗失效。通過在觀察室的層間縫防火系統上覆蓋一張棉褥,并保持30秒來觀察防火封堵系統是否存在裂縫或孔洞。如果棉褥產生燃燒,防火封堵系統也被認為是失效的。如果封堵系統不能有效減少過熱的玻璃傳來的熱量,棉褥會過早燃燒(參見圖7及8)。
在試驗過程中,通過監測背火面的溫度來分析熱量的擴散情況。檢驗出來的耐火時效和耐熱時效是根據ASTM E2307-10的相關步驟得出的。耐火時效,是防火封堵系統阻礙火焰通過的時間;耐熱時效,是測量系統中熱量傳遞的效果。大部分幕墻防火封堵系統由于采用了
導熱性能良好的鋁質型材或
錨固件,其耐熱時效不超過15到30分鐘,耐火時效通常可達2小時或以上。
(三)層間縫防火封堵系統的構造
2,1
礦棉隔板的安裝
最常見的帶傳統(難燃材料,如玻璃、
鋁材或石材)分隔帶的鋁質框架幕墻結構采用耐高溫的礦棉隔板。礦棉隔板采用
礦渣棉或
巖棉做成,能夠抵受高達100度的高溫。通常用礦棉隔板(通常密度為96~128kg/m3)包裹分隔帶周圍幕墻框架的豎向和水平構件。(參見圖9)有各種不同的方法來安裝礦棉板。有時采用
鋼板,但是,通常情況下鋼板的作用只是美化分隔帶的造型;有時通過在豎向構件之間的分隔帶上會安裝一系列水平的鋼構件;或者通過一些鋼
夾具和鋼釘來安裝固定礦棉板。除了用鋼錨釘和保護罩固定礦棉板外,通常還可以在搭接處用帶大號鋼墊圈的鋼
螺栓或杯形焊釘把礦棉板固定在
角鋼、鋼板或
槽鋼上。這個幕墻的礦棉隔板是—個至關重要的構件。在幕墻外部的
保溫層掉落后,盡管周圍的鋁質型材和隔板隨之受熱融化掉落,但礦棉隔板仍可在防火封堵系統受火的整個過程中保持完整性。
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